Разработка метода расчета фрикционных характеристик в условиях контактного взаимодействия при больших нагрузках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, кандидат технических наук Удалов, Сергей Владимирович

• Удалов, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Удалов, Сергей Владимирович

Введение

1. Глава 1. Контактное взаимодействие твердых тел.

1.1 Характеристики поверхностей, определяющих контактное взаимодействие твердых тел.

1.2 Роль контактное взаимодействия в процессах трения и 5 изнашивания.

1.3 Контакт тел сферической формы.

1.4 Расчет контактных деформаций.

1.5 Последние достижения в области контактного взаимодействия.

1.5.1 Приближенное решение двумерной контактной задачи теории 13 упругости о вдавливании параболического штампа в упругое слоистое полупространство.

1.5.2 Исследование влияния зазора на статическое трение в полимер- 14 полимерных микроподшипниках.

1.5.3 Термоупругая контактная задача для слоя, взаимодействующего с жестким основанием при стационарном фрикционном тепловыделении.

1.5.4 Напряженное состояние упругих тел с включением при 21 контактном взаимодействии.

1.5.5 Механика фрикционного металлополимерного контакта. 22 2.

Глава 2. Контакт единичной волны с шероховатой поверхностью.

2.1 Контакт единичного сферического индентора с 26 полупространством.

2.2 Взаимное влияние микронеровностей при деформации.

2.3 Использование эллипсоидов для моделирования микронеровностей.

2.4 Расчет контурной площади контакта.

2.5 Влияние параметров качества контактирующих поверхностей 44 на их деформацию.

3 Глава 3. Контактное взаимодействие волнистых поверхностей.

3.1 Геометрические характеристики волнистых поверхностей, определяющих их контактное взаимодействие.

3.2 Сближение поверхностей под действием нормального 47 нагружения.

3.2.1 Контактные деформации волнистых поверхностей.

3.2.2 Контурная площадь сжатых поверхностей. 53 3.3 Объем зазора между контактирующими поверхностями.

Глава 4. Экспериментальная проверка полученных результатов.

4.1 Исследование влияния шероховатости на свойства контакта 62 криволинейных поверхностей.

4.1.1 Определение площади контакта сферического индентора с 64 шероховатой поверхностей.

4.1.2 Определение сближения при контактировании сферы с 66 шероховатой поверхностей.

4.2 Определение контактных деформаций плоских стыков.

4.3 Экспериментальное определение объема зазора между 85 контактирующими поверхностями.

4.3.1 Методика определение объема зазора и ее обоснование.

4.3.2 Определение объема зазора между контактирующими 87 поверхностями.

4.4 Экспериментальное определение усилия выпресовки для 101 определения силы трения покоя.

5. Глава 5. Применение предложенной модели контактного 105 взаимодействия. Соединения с натягом. Трение в резьбовых соединениях и в соединениях с гарантированным натягом.

5.1 Характеристика соединений с натягом.

5.2 Основные методы расчета соединений с натягом.

5.3 Расчет сближения и фактической площади в соединениях с 106 натягом.

5.4 Пример расчета прочности соединений собранных с натягом.

5.4.1 Методика расчета.

5.4.2 Пример расчета на прочность соединения для запрессовки 112 колеса на ось для колесной пары РУ1Ш-950.

5.5 Трение в резьбовых соединениях и в соединениях с 117 гарантированным натягом.

5.5.1 Определение сил трения покоя при пластических деформациях 117 в зонах касания.

5.5.2 Нагрузки в резьбовых соединениях.

5.6 Влияние волнистости и эффекта взаимного влияния на 120 износостойкость.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода расчета фрикционных характеристик в условиях контактного взаимодействия при больших нагрузках»

В условиях рыночной экономики основополагающим фактором развития той или иной отрасли является конкурентноспособность выпускаемых механизмов и машин. Важной задачей современного машиностроения является повышение надежности и долговечности машин и приборов, уменьшение времени приработки соприкасающихся поверхностей.

Главной частью решения этой задачи является оценка факторов, влияющих на трение и износ, выявление зависимости коэффициента трения и износа от заданных условий. Контактное взаимодействие триботехнических поверхностей, а, следовательно, трение и износ зависят от свойств контакта данных поверхностей.

Эти свойства связаны с геометрическими параметрами сопрягаемых поверхностей физико-механическими и химическими свойствами материалов деталей. К этим свойствам относятся сближение поверхности под действием приложенной нагрузки, фактическая площадь касания, контурная площадь касания, размеры пятен, контакта, объем зазора между контактирующими поверхностями и эксплуатационные характеристики деталей (контактная жесткость, магнитное, тепловое и электрическое сопротивление).

Контактная задача является одной из наиболее сложных задач теории упругости и важных задач триботехники. Ее решение в частных случаях позволяет производить расчеты зубьев зубчатых колес, деталей подшипников и подпятников, инструментов, приспособлений. Теоретическим основам решения контактных задач посвящено много работ.

Изучение таких свойств контакта сопряженных поверхностей как фактическая и контурная площади касания, сближение поверхностей под действием приложенной нагрузки, размеры пятен контакта и объем зазора между контактирующими поверхностями позволяет прогнозировать прохождение процессов трения и износа при контактном взаимодействии твердых тел. Кроме того, свойства контакта определяют следующие важные эксплутационные характеристики деталей машин: контактная жесткость, прочность прессовых соединений, магнитное, тепловое и электрическое сопротивление стыков, их герметичность и т.д.

Широко изучены задачи, рассматривающие поведение контакта в условиях статического нагружения. При этом имеется много нерешенных вопросов, связанных с оценкой эффекта взаимного влияния поверхностных неровностей и контактным взаимодействием волнистых поверхностей.

Сложность аналитического решения ряда контактных задач ведет к необходимости создания физической и математической модели упруго-пластического контактного взаимодействия, которая позволила бы оценивать влияние параметров контактирования.

Заключение диссертации по теме «Трение и износ в машинах», Удалов, Сергей Владимирович

Выводы по работе.

На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

1. Показано, что эффект взаимного влияния микровыступов, при решении задачи о внедрении эллиптического сегмента в шероховатое упругое полупространство под действием нормальной силы, приводит к отличию таких характеристик контакта как деформация микровыступов и фактическая площадь контакта в области пластических деформаций при больших нагрузках.

2. На основе полученных зависимостей разработана методика и создано программное обеспечение, позволяющее оценивать основные характеристики контакта инденторов эллиптической и сферической формы с шероховатым упругим полупространством и существенно расширяющие возможности расчетных методов в трибологии.

3. Анализ вклада эффекта взаимного влияния в составляющие сближения(сближения упругого полупространства и шероховатого слоя) показал, что эффект оказывает влияние на составляющую сближения, обусловленную деформацией шероховатого слоя.

4. Проведенные экспериментальные исследования трения покоя, деформации, фактической площади контакта, объема межконтактного зазора показали, что предложенная уточненная модель фрикционного контактного взаимодействия позволяет более адекватно описывать его свойства и снизить расхождение между эмпирическими и расчетными значениями до 14-16% в диапазоне нагрузок, имеющих место в области сближения близкого к максимальному внедрению.

5. Результаты проведенных исследований послужили основой для создания новой компьютерной модели фрикционного контакта позволяющей не только проводить инженерные расчеты трения покоя с достаточной для технических целей точностью, но и целенаправленно оптимизировать свойства контакта, варьируя свойства материалов и параметры микрогеометрии. Эффективность применения модели подтверждена расчетами на трение и прочность соединения с натягом вал - прядильный ротор, результаты которого использованы в производстве.

6. Предложен метод расчета сил трения покоя, сближения, фактической площади контакта и давления в стыке шероховатых поверхностей для соединений с натягом и резьбовых соединений.

Основные положения работы были доложены и обсуждены на:

- V Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем», Воронеж, 2008;

- научно-техническом семинаре «Контактные задачи в трибологии», Тверь, кафедра «Физики», ТГСХА, 2008;

- научно-технических семинарах «Механика и физика фрикционного контакта», кафедра «Физики», Тверской государственный технический университет, 2006 - 2008 г.;

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедры «Сопротивления материалов», Тверской государственный технический университет, 2008 г.;

- объединенном семинаре «Контакт шероховатых, волнистых поверхностей» кафедры «Физики» и «Сопротивления материалов», Тверской государственный технический университет, 2008;

- научно-техническом семинаре «Методы расчета посадок с натягом», Тверской институт вагоностроения, 2008.

Разработанные методы и основные результаты опубликованы в шести статьях:

1. Демкин Н.Б., Удалов С.В. Влияние волнистости цилиндрической формы на контурную площадь стыков деталей машин //Вестник Тверского осударственного Технического университета. 2005. № 8. С. 47-51

Л°ТОВ А-Н"Удалов Св- Влияние скольжения структурированной

Н°И ЖИДК0СТИ на тРение в подшипниках и уплотнениях //Механика и

Г:ГРГ6СС0В На "ОВерХНОСТИ и в контакте твердых тел и деталей машин: Межвуз. сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 2006. С. 52-54 пп*^ГСееВ В'М" С'В- УдаЛОВ СВ- °ценка эффекта взаимного влияния Г"™ Нер°В™СТеЙ на ^нтакте сферы с шероховатым упругим

ZseZ7aH7nT Тверского Государственного Технического университета. 2006. № 9, С. 6-11 пиДШТОВ °'В' /лКоНХакт эллипсоида с шероховатым упругим полупространством //Механика и физика процессов на поверхности и в

2007асе25-31™ Т6Л И Д6ТаЛеЙ МаШИН: МбЖВу3- Сб- наУч- тр- Тверь: ТГТУ,

5. Демкин Н.Б., Удалов С.В. Моделирование контактного взаимодействия поверхностей с учетом эффекта взаимного влияния поверхностных неровностей, имеющих волнистость цилиндрической формы //Трение и смазка в машинах и механизмах. 2007. № 9. С. 10-14

6. Демкин Н.Б., Удалов С.В., Алексеев В.А., Измайлов В.В., Болотов А.Н. кхштакх шероховатых волнистых поверхностей с учетом взаимного влияния неровностей //Трение и износ. 2008. № 3. С. 231-238

Результаты диссертации были представлены в двух статьях в журналах, рекомендованных к размещению публикаций Высшей аттестационной комиссиеи (ВАК).

Заключение.

В настоящее время необходимо внедрение таких методик расчета посадок с натягом, которые бы позволили снизить металлоемкость производства, соответственно понизить себестоимость готовой продукции, для чего предлагается использовать моделирование процесса фрикционного контактного взаимодействия при сборе деталей. Разработанная в представленной диссертации модель контактного взаимодействия поверхностей при больших нагрузках наиболее полно соответствует требованиям нынешнего производства нашей страны. Предложенный способ расчета посадок с натягом по затратам и условиям применения существенно отличается от применяемых в настоящее время методик расчета посадок с натягом.

Для научной и технической проработки предлагаемого способа моделирования контактного взаимодействия были использованы известные зависимости, разработанные до настоящего времени в области пластического деформирования и трибологии. Однако реализация предложенного методики расчета была бы невозможна без использования новых подходов при решении поставленной задачи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Удалов, Сергей Владимирович, 2009 год

1. Авдеев М.В, Воловик E.J1. Ульман И.С. Технология ремонта машин и оборудования. М.: Агропромиздат, 1986. - 247.

2. Аксёнов А.Ф. Трение и изнашивание в углеводородных жидкостях. М.: Машиностроение, 1977. 147.

3. Алюшин Ю.А, Еленев С.А. Применение энергетического метода для расчёта и анализа процессов пластического формоизменения металлов II Исследование процессов пластического деформирования металлов. М.: Наука, 1965. С. 106-133.

4. Атопов В.И., Сердобинцев Ю.П., Славин O.K. Моделирование контактных напряжений. Москва: Машиностроение (1988).

5. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз, 1963. 742 с.

6. Барт В.Е., Васильев Ю.Н. и др. Триботехнические свойства антифрикционных самосмазывающихся пластмасс.— М., ВНИУ ГСССД.— 1982. -62 с.

7. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений, тт.1,2,М: Наука, 1966.-670,750.

8. Близнец М.М., Богданович П.Н., Стухляк П.Д. Особенности изнашивания эпоксидных полимеров.- Трение и износ. 1988, т.9, №3.-с.549-553.

9. Борисов М.В. Павлов И.Ф. Постников В.И. Ускоренные испытания машин на износостойкость как основа повышения качества. М.: Издательство стандартов, 1976. — 351.

10. Болотов А.Н., Горлов И.В. Восстановление изношенных поверхностей методом пластического деформирования // Механика и физика фрикционного контакта. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 9. Тверь. ТГТУ, 2002. С. 39-43.

11. Болотов А.Н., Горлов И.В. Сравнительные триботехничекие испытания материалов // Механика и физика фрикционного контакта. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 10. Тверь. ТГТУ, 2003. С 40-44.

12. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982. 190 с.

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

14. Воловик E.JI. Справочник по восстановлению деталей.— М.: Колос, 1981.351 с.

15. Восстановление деталей футерованием композиционными полимерными материалами на основе эпоксидных смол. Минск, БелНИИНТИ. 1988.-50 с.

16. Горлов И.В. Применение восстановленных деталей и новые технологии восстановления // Актуальные проблемы развития машиностроительного комплекса Тверской области. Материалы научно-практической конференции. Тверь: ТГТУ, 2001. С.79-81.

17. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. Перевод с английского. М.: Мир, 1989. 500.

18. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. М.: Наука, 1980. 228 с.

19. Зубчанинов В.Г. Математическая теория пластичности. Тверь: ТГТУ, 2002. 300с.

20. Избирательный перенос при трении и его экономическая эффективность/ Под ред. Д.Н. Гаркунова и А.А. Полякова. М.: ВИНИТИ, 1972. 252 с.

21. Избирательный перенос при трении/ Под ред. Д.Н. Гаркунова и Ю.С. Симакова. М.: Наука, 1975. 88 с.

22. Лавринович М.Ф., Шустерняк М.Ф. Повышение износостойкости деталей автомобилей. Минск: Беларусь, 1985. 142.

23. Канарчук Ф.Д., Чигринец А.Д., Голяк О.Л., Шоцкий П.М. Восстановление автомобильных деталей. Технология и оборудование. М.: Транспорт, 1995.-303.

24. Карасик И.И. Прирабатываемость материалов для подшипников скольжения. М.: Наука, 1978. 136 с.

25. К вопросу нормирования протяжённости фактического контакта и шага микроканавок поверхностей с частично регулярным микрорельефом (ЧРМР) / B.C. Комбалов и др. // Трение и износ. 1992.Т 13. №1. С.110-115.

26. Композиционные материалы. Т.З. Пер. с англ./ Под ред. Л. Браутмана, Р. Крока.— М.: Машиностроение, 1978.

27. Корн Г, Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 831.

28. Крагельский И.В. Трение и износ. Изд.2-е. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

29. Lockett F.J. Indentation of a rigid-plastic material by a conical indenter.— J. Mech. and Phys. of Solids, 1963, p. 345.

30. Масино M.A., Алексеев B.H., Мотовилин Г.В. Автомобильные материалы. М.: Транспорт, 1979. 169.

31. Маслов Н.Н. Эффективность и качество ремонта автомобилей.— М.: Транспорт, 1981. 304 с.

32. Машины и стенды для испытаний деталей / Под ред. Д.Н. Решетова. -М.: Машиностроение, 1979. -343.

33. Mellor Р.В., Johnson W. Plasticity for Mechanical Engineers, London, 1962.

34. Методы профилактики и ремонта промышленного оборудования: Учеб. Для сред. проф. Образования / Ю.Н. Воронкин; Н.В. Поздняков. М.: Академия, 2002. - 240 е.: ил.

35. Механика пластических сред / Д.Д. Ивлев; Н.Б. Бартошевич-Жегаль. Т. 1: Теория идеальной пластичности; Ред. Н.Б. Бартошевич-Жегель. -М.: Физмат, 2001.-445 с. : ил.

36. Муляр Ю.Н. Антифрикционные смазывающие материалы в машиностроении // Машиностроительное производство. Серия Прогрессивные технологические процессы в машиностроении. Выпуск 3. М.: ВНИИТЭМР, 1991. 64.

37. Нелинейное деформирование твёрдых тел / С.Н. Коробейников; Рос. АН, Сиб. отд-ние, Ин-т гидродинамики им. М.А. Лаврентьева. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 261 с.

38. О моделировании трения и износа/ Под ред. А.В. Чичинадзе. М.: НИИМАШ, 1970,318 с.

39. Операции соединения и механической обработки композиционных материалов// Dastie S.I.— Handbook of Composites-SI.— 1982. P. 602-632./ВЦП. №1. 58270. Пер. 86/17806.

40. Пат. РФ, МКП В 23 Р 6/00, 6/02. Способ восстановления локально изношенной поверхности детали /А.Н. Болотов, И.В. Горлов № 2228247 С1; Заявл. 20.12.2002; Опубл. 10.05.2004; Бюл. № 13. - 8с.

41. Полимеры в узлах трения машин и приборов / Под ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1980. 208.

42. Полимеры в узлах трения машин и приборов / Справочник. А.В. Чичинадзе, А.Л.Левин и др.- М.: Машиностроение, 1988. - 328 с.

43. Польцер Г. Майснер Ф. Основы трения и изнашивания. Перевод с немецкого. М.: Машиностроение, 1984. -263.

44. Применение композиционных материалов в машиностроении. Тезисы докладов научно-технической конференции.- Минск, Бел НИИНТИ, 1988.-196 с.

45. Прохоров B.C. Трибологические методы испытания масел и присадок. М.: Машиностроение, 1983. 183.

46. Расчётно-экспериментальный метод решения контактных задач / А.Г. Кузьменко и др. // Трение и износ. 1992.Т 13. №2. С. 257-264.

47. Ремонт автомобилей: Теорет. Курс: Учеб. пособие / А.В. Коробейник. Ростов н/Д.: Феникс, 2003. - 283 е.: ил.

48. Ремонт автомобилей и двигателей: Учеб. для сред. проф. Образования / В.И. Карагодин; Н.Н. Митрохин. 2-е изд., стереотип. -М.: Академия, 2002. - 496 е.: ил.

49. Семенов А.П., Савицкий М.Э. Металлофторопластовые подшипники. М.: Машиностроение, 1976. 190 с.

50. Сиренко Г.А., Свидерский В.П. Износостойкость композиционных материалов на основе термостойких полимеров в условиях предельных нагрузок и ограниченной смазки.— Трение и износ.— 1988, т.9, № 5.- с. 841-861.

51. Справочник по композиционным материалам. В 2-х томах/ Под ред. Дж. Любина.— М.: Машиностроение, 1988. Т.1.— 448 с.

52. Справочник по композиционным материалам. В 2-х томах/ Под ред. Дж. Любина.— М.: Машиностроение, 1988. Т.2.— 582 с.

53. Справочник по триботехнике. Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения и качения тт, 1,2 / Под ред. М. Хебды, А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, Варшава. ВКЛ. 1990. 820.

54. Shield R.T. On plastic flow of metals under conditions of axial symmetry.— Proc. Roy. Soc., 1955, p. 267.

55. Струк B.A. Композиционные материалы для узлов трения. Опыт разработки и применения. Минск: БелНИИНТИ, 1986.-46 с.

56. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М., 1987.

57. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Фёдоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М., 1979.

58. Теоретические основы процессов поверхностного пластического деформирования / Под ред. В.И. Беляева. Минск. Наука и техника, 1988.-360.

59. Томлёнов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия, 1972. 408.

60. Томленов А.Д. Механика процессов обработки металлов давлением. Машгиз, 1963.

61. Трение изнашивание и смазка. Справочник тт,1,2 / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. 812.

62. Упрочнение машиностроительных материалов. Справочник / С.Н. Полевой. В.Д. Евдокимов. М.: Машиностроение. 1994. 471.

63. Федорченко Н.М. Влияние механической обработки на работоспособность композиционных антифрикционных материалов. Тез. докл. 3 Всесоюзного семинара по конструкционным спеченным материалам и изделиям.— Киев: ОНТИ ИПМ АН УССР, 1975.

64. Фляйшер Г. К вопросу о количественном определении трения и износа.— В кн.: Теоретические и прикладные задачи трения, износа и смазки машин. М.: Наука, 1982, с. 285-296.

65. Хрущев М.М, Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970. 252 с.

66. Шилько С.В. Расчетно-экспериментальный метод определения контактных давлений. Динамика и прочность транспортных машин / Сб. научных трудов. Брянск: БИТМ (1994), 116-121.

67. Шилько С.В. Расчетно-экспериментальные методы исследования контактных напряжений // Труды Белорусского конгресса по теор. и прикл. механике. Минск (1995), 248-249.

68. Экспериментальные и расчётно-экспериментальные методы определения контактных напряжений /С.В. Шилько. // Трение и износ. 1996.Т 17. №3. С.402-407.

69. Экспериментальная механика. В 2-х кн. Пер. с англ./ Под ред. А.Кобаяси. Москва. Мир (1990).