Tribo-trötthet

Tribo -fatigue  är en gren inom mekaniken som studerar slitage-fatigue damage (ILE) och förstörelse av tribo-fatigue-system [1] [2] [3] [4] . Tribo-trötthet skapades i skärningspunkten mellan tribologi och mekanik för utmattningsskador och förstörelse av material och strukturella element (Figur 1). Termen tribo-trötthet (tribo (grekiska) - friktion, trötthet (franska, engelska) - trötthet) antas i den mellanstatliga standarden GOST 30638-99 "Tribofatigue. Termer och definitioner” [5] . Denna term ingår i Vitryska uppslagsverket [6] och Big Encyclopedic Dictionary [7] .

Grundaren av tribo-fatigue är doktor i tekniska vetenskaper, professor Leonid Sosnovsky [8] [9] [10] .

Objekt att studera

Tribo-trötthet är alla mekaniska system där friktionsprocessen förverkligas i någon av dess manifestationer (vid rullning , glidning , glidning, slag , erosion , etc.) och som samtidigt uppfattar och transitivt överför en volymetrisk repetitivt variabel (i synnerhet cyklisk) ) ladda [11] . Som regel är det ansvarsfulla produkter. Så i hjul-/ rälssystemet detekteras friktion under rullning , glidning , glidning och ett av dess element - skenan utsätts dessutom för böjning , spänningskompression , vridning . Därför bestäms dess prestanda av en komplex IPM - kontaktmekanisk trötthet. I vevaxel / vevstångshuvudsystemet realiseras glidfriktion och axeltappen utsätts samtidigt för böjning med vridning . Följaktligen bestäms dess prestanda av en komplex IFP - friktions-mekanisk trötthet. I en mängd olika leder av axel/hylsa sker glidfriktion ( frätning ) och axeln utsätts dessutom för rotationsböjning . Och dess prestanda bestäms av en komplex IEP - fretting trötthet. Om vi ​​studerar systemröret / vätskeflödet ( olja ) realiseras hydrodynamisk friktion i det , och röret belastas samtidigt med omställbart inre tryck . Därför bestäms dess prestanda av en komplex IEP - korrosionsmekanisk (eller korrosions-erosion) trötthet. På samma sätt är strålningsmekanisk utmattning typisk för rören i primärkretsen i ett kärnkraftverk .

Sålunda är ett tribo-utmattningssystem vilket friktionspar som helst, vars åtminstone ett av elementen är extra och samtidigt belastat med en bulklast (beröringsfri). I nästan varje modern maskin (bil, flygplan, verktygsmaskin, etc.) finns det minst ett tribo-utmattningssystem, som i regel är tungt belastat, och det bestämmer till stor del produktens driftsäkerhet. Det följer av detta att den stora tekniska och ekonomiska betydelsen för modern teknik av problemen med friktion och slitage (studeras i tribologi), å ena sidan, och problemen med utmattningsskador och förstörelse (studerade i mekaniken för utmattning av material) , å andra sidan, ökar många gånger när partiella skadliga fenomen (trötthet, friktion och slitage) realiseras samtidigt och gemensamt i form av komplex IEP (studerad i tribo-fatigue).

Huvudinnehåll

Tabell 1 sammanfattar huvudinnehållet av tribo-trötthet i jämförelse med tribologi och mekanisk trötthet , som är dess källor. Och figur 1 indikerar de huvudsakliga effekterna etablerade och studerade vid tribo-trötthet.

Direkt effekt: påverkan av friktions- och slitageprocesser och förhållanden på förändringen i utmattningsmotståndsegenskaperna hos ett tribo-utmattningssystem och/eller dess element. Det har experimentellt fastställts [4] att friktion och slitage både kraftigt kan minska (med 3-7 eller fler gånger) och signifikant (med 30-40%) öka uthållighetsgränsen σ −1 för strukturella element (Figur 2).

Omvänd effekt: inverkan av upprepade växlande spänningar på förändringen i friktions- och slitageegenskaper hos ett tribo-utmattningssystem och/eller dess element. Det har experimentellt fastställts [4] att cykliska spänningar från en volymbelastning, exciterad i kontaktzonen, kan, beroende på förhållandena, antingen minska eller öka slitstyrkan hos ett friktionspar (med 10-60 % eller mer).

Effekten av skade-Λ-interaktioner (funktion Λ σ\τ ) beror på normala spänningar (index σ) från beröringsfria bulklaster ( utmattning ) och friktionsspänningar (index τw ) ( friktion och slitage ). Enligt denna effekt summeras inte skador från olika (kontakt- och bulk)laster, utan samverkar dialektiskt [1] [2] [3] .

Tabell 1 — Jämförelse av metoder för vetenskapliga discipliner
Disciplin Objekt att studera Grundläggande forskningsmetoder Främsta mål
experimentell teoretisk
T ribofatigue Tribo-trötthetssystem Slitage- och utmattningstester Mekanik av slitage-utmattningsskador och frakturer Optimal kontroll av processerna för integrerad IEP av tribo-utmattningssystem för att minska kostnaderna för arbete, medel och material inom områdena för deras produktion och drift
T ribologi Friktionspar Friktionstester Mekanik för kontaktinteraktion Bekämpa slitage (upp till slitagefri friktion) och förhindrande av att friktionspar fastnar
U trötthet Strukturelement (prov) Utmattningstest Solid mekanik Minska hastigheten för ackumulering av skador och förhindra utmattningsbrott hos strukturella element

Beräkning av tribo-utmattningssystem

Inom tribo-fatigue formuleras principer och metoder utvecklas [4] [12] för att beräkna tribo-fatigue-system för hållfasthet, slitstyrka, tillförlitlighet, hållbarhet med hänsyn till risken (säkerheten) vid drift [13] .

Tribo-fatigue (TF) designsystemet låter dig ställa in och lösa problem:

Figur 3 ger en jämförande analys av metoder för att beräkna kraftsystem enligt tribo-utmattningskriterierna (parametrar med index TF), enligt kriterierna för mekanisk trötthet (parametrar med index F), och även enligt den tribologiska parametern - friktionskoefficienten. På alla grafer betyder den horisontella streckade linjen att vid beräkning enligt individuella kriterier för antingen mekanisk utmattning eller tribologi tas de nödvändiga parametrarna som enstaka. Krökta streckade linjer beskriver direkta eller omvända effekter förutsatt att skadeinteraktionsfunktionen Λ σ/τ =1. De återstående (heldragna) linjerna karakteriserar dessa effekter, med hänsyn tagen till olika skadeinteraktionsförhållanden: vid Λ σ/τ >1 implementeras övervägande mjukningsprocesser, vid Λ σ/τ <1 implementeras härdningsprocesser övervägande.

Låt oss kort kommentera till exempel bestämningen av det erforderliga axeltvärsnittet. Dess diameter d F , antagen enligt den välkända metoden för beräkning av mekanisk utmattning, kommer att anses vara lika med en: d F =1.

Om axeln är en del av kraftsystemet, då med hänsyn till påverkan av friktion och slitageprocesser, generellt kännetecknad av det relativa värdet av friktionsspänningar τ W 2 /τ f 2 , leder till det faktum att för att säkerställa dess styrka tillförlitlighet , värdet av dTF kan antingen vara betydligt mindre (till exempel 0,9 dF ) eller signifikant högre (till exempel 1,3 dF ) värdet av dF ; det beror på förhållandet mellan de implementerade härdnings-mjukningsprocesserna (Λ σ/τ >1 eller Λ σ/τ <1).

Analys av andra grafer i figur 3 leder till liknande slutsatser vid val av erforderlig kontaktyta, materialegenskaper, friktionskoefficient.

Detta innebär att man vid tribo-trötthet går bort från den traditionella beräkningen av enskilda delar och går vidare till beräkningen och designen av mekaniska system [8] .

Testa maskiner

Hittills, inom ramen för tribo-fatigue, har slitage- fatigue testmetoder utvecklats och standardiserats . Med hjälp av de utvecklade metoderna och på basis av ett antal uppfinningar har en ny klass av testutrustning skapats  - maskiner i SI / SZ-serien för utmattningstestning av material, modeller av friktionspar och tribo-utmattningssystem (Figur 4). Huvudfunktionen hos sådana maskiner är användningen av enhetliga standardstorlekar av testobjekt (Figur 5). Detta säkerställer en korrekt jämförelse av testresultat utförda under olika förhållanden.

De tekniska egenskaperna hos maskinerna i SI/SZ-serien regleras av kraven i mellanstatlig standard GOST 30755-2001 "Tribofatigue. Maskiner för provning av slitage-utmattning. Allmänna tekniska krav” [14] . De huvudsakliga testmetoderna är standardiserade.

Tribo-Fatigue för produktion

Ett antal komplexa projekt genomfördes i produktionens intresse. Bland dem:

– Hi-Tech: gjutna knivar för skär- och huggningsapparater för högpresterande vallskördare [15] [16] [17] [18] [19] ;

– Driftsäkerhet för den linjära delen av oljerörledningen [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] ;

– Hi-Tech: gjutjärnsskenor [33] [34] [35] [36] [37] [15] [38] [39] [40] [41] ;

– Stora växlar [42] [43] [44] [36] [15] [45] [46] .

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Sosnovsky, L. A. Fundamentals of tribo-fatigue: lärobok. ersättning: [lägg till. Utbildningsministeriet Rep. Vitryssland som ett läromedel för studenter vid tekniska högre utbildningsinstitutioner] / L. A. Sosnovskiy. - Gomel: BelSUT, 2003. - T. 1. - 246 s.; T. 2. - 234 sid.
  2. ↑ 1 2 Sosnovskiy, LA Tribo-Trötthet. Wear-Fatigue Damage and its Prediction / LA Sosnovskiy // Serie : Foundations of Engineering Mechanics, Springer, 2005. - 424 sid.
  3. ↑ 1 2 摩擦疲劳学 磨损 - LA 索斯洛夫斯基著, 高万振译 - 中国矿业大学出版社, 2013. - 324 sid.
  4. ↑ 1 2 3 4 Sosnovsky, L. A. Mechanics of wear-fatigue damage / L. A. Sosnovsky. - Gomel: BelSUT, 2007. - 434 sid.
  5. ↑ Tribo-trötthet. Termer och definitioner (Interstate standard): GOST 30638-99. - Stiga på. 1999-06-17. - Mn. : Mezhgos. Rådet för standardisering, metrologi och certifiering: Vitryssland. stat in-t för standardisering och certifiering, 1999. - 17 sid.
  6. ↑ Trybafatyka // Vitryska uppslagsverket. - Minsk: Belarusian Encyclopedia, 2002. - T. 15. - S. 542.
  7. ↑ Tribo-Trötthet // Big Belarusian Encyclopedic Dictionary / ed. kollegium: T. V. Belova (chefredaktör) med flera - Minsk: Vitryssland. encycle. uppkallad efter P. Broki, 2011. - S. 354.
  8. ↑ 1 2 Vysotsky, M.S. Ett nytt ord i mekanik / M.S. Vysotsky // Vetenskap och innovationer. - 2010. - Nr 9 (91). – S. 17–19.
  9. ↑ Vityaz, P. A. Mekanisk vetenskapsman Leonid Adamovich Sosnovsky (till en vetenskaplig biografi) / P. A. Vityaz, M. S. Vysotsky, V. A. Zhmailik // Tr. VI International Symposium on Tribo-Fatigue (ISTF 2010), 25 okt. – 1 nov. 2010, Minsk (Vitryssland) / redaktion. : M. A. Zhuravkov (föregående) [och andra]. - Minsk: BGU, 2010. - T. 1. - S. 55–64.
  10. ↑ Zhuravkov, M. A. Personlighet. Forskare. Poet / M. A. Zhuravkov // Personlighet. Forskare. Poet / red. ed. V. I. Senko. - Gomel: BelSUT, 2015. - C. 8-19.
  11. ↑ Shcherbakov, S. S. Mechanics of tribo-fatigue systems / S. S. Shcherbakov, L. A. Sosnovskiy. - Minsk: BGU, 2011. - 407 sid.
  12. ↑ Sosnovsky, L. A. Grundläggande och tillämpade problem med tribo-trötthet: en kurs med föreläsningar / L. A. Sosnovsky, M. A. Zhuravkov, S. S. Shcherbakov. - Minsk: BGU, 2011. - 488 sid.
  13. ↑ Sosnovsky, L. A. L-Risk (mekanotermodynamik för irreversibel skada) / L. A. Sosnovsky. - Gomel : BelGUT, 2004. - 317 sid.
  14. ↑ Tribo-trötthet. Maskiner för provning av slitage-utmattning. Allmänna tekniska krav (Interstate standard): GOST 30755-2001. - Stiga på. 07/01/2002. - Mn. : Mezhgos. Rådet för standardisering, metrologi och certifiering: Vitryssland. stat in-t för standardisering och certifiering, 2002. - 8 sid.
  15. ↑ 1 2 3 Sosnovsky, L. A. Gjutjärn och stål i tribo-utmattningssystem av moderna maskiner och utrustning / L. A. Sosnovsky, P. A. Vityaz, V. A. Gapanovich, N. V. Psyrkov, N. A. Makhutov // Mekanik för maskiner, mekanismer och material. - 2014. - Nr 4 (29). – S. 5–20.
  16. ↑ Novikov, A. A. Mekaniska och operativa egenskaper hos VCTG-gjutjärn / A. A. Novikov, P. S. Drobyshevsky, S. A. Tyurin, D. S. Chumak // Bulletin of the Gomel State Technical University. P.O. Sukhoi. - 2018. - Nr 1 (72). – S. 61–69.
  17. ↑ Novikov, A. A. Knivar för skär- och slipanordningar för vallskördare (beräkning, material, tillverkningsteknik, testresultat och certifiering i MIS) / A. A. Novikov, P. S. Drobyshevsky, V. S. Golubev, V. V. Komissarov // Aktuella frågor om maskinvetenskap: lö. vetenskaplig tr. - Problem. 6. - Minsk: OIM NASB, 2017. - S. 231–236.
  18. ↑ Novikov, A. A. Utvärdering av motståndet hos knivar av foderslipningsanordningar av jordbruksskördetröskor: teori, bänk- och fälttester / A. A. Novikov, V. V. Komissarov, V. O. Zamyatnin, P. S. Drobyshevsky, S. S. Shcherbakov, L. A. Bulletinnovsky BelSUT: Vetenskap och transport. - 2016. - Nr 1 (32). – S. 201–208.
  19. ↑ En metod för jämförande bedömning av slitstyrkan hos de testade knivarna för matar-slipapparaten i en jordbrukskotröska: Pat. 21970 Rep. Vitryssland, IPC G 01N3/58/ L. A. Sosnovsky, N. V. Psyrkov, S. G. Volchenko, V. O. Zamyatnin, V. V. Komissarov, D. S. Chumak; sökande JSC "Gomselmash", LLC "NPO TRIBO-FATIKA". –nr a20140422; dec. 2014-08-14; publ. 2018-02-27. - 2018. - 5 sid.
  20. ↑ Sosnovsky, S. V. Metoder och resultat av experimentella studier av den linjära sektionen av en oljeledning som ett tribo-utmattningssystem / S. V. Sosnovsky, A. M. Bordovsky, A. N. Kozik, V. V. Vorobyov // Tr. VI International Symposium on Tribo-Fatigue (ISTF 2010), 25 okt. – 1 nov. 2010, Minsk (Vitryssland) / redaktion. : M. A. Zhuravkov (föregående) [och andra]. - Minsk: BGU, 2010. - T. 1. - S. 351–360.
  21. ↑ Sosnovsky, L. A. Om ett multidisciplinärt tillvägagångssätt för analys och förutsägelse av operativa skador och resurs för linjära sektioner av en oljeledning ur tribo-utmattningssynpunkt / L. A. Sosnovsky, Yu. V. Lisin, A. N. Kozik // Mechanics of Maskiner, mekanismer och material . - 2017. - Nr 3 (40). – S. 75–84.
  22. ↑ Bordovsky, A. M. Analys of a random process of oil pipeline loading 1999. - S. 271-273.
  23. ↑ Bordovsky, AM Metod för accelererade statistiska utmattningstester av plattor / AM Bordovsky, VV Vorobyev // Proc. av III International Symposium on Tribo-Fatigue (ISTF 2000), Peking, Kina, okt. 22–26, 2000. - Peking : Hunan University Press, 2000. - S. 204–207.
  24. ↑ Bordovsky, AM Bedömning av tillförlitligheten hos linjär oljeledning / AM Bordovsky, VV Vorobyev // Proc. av III International Symposium on Tribo-Fatigue (ISTF 2000), Peking, Kina, okt. 22–26, 2000. - Peking : Hunan University Press, 2000. - S. 380–381.
  25. ↑ Kozik, A. N. Inverkan av korrosionsskador på oljeledningars bärighet / A. N. Kozik, V. V. Vorobyov // Mekanik av maskiner, mekanismer och material. - 2011. - Nr 2 (15). - S. 90-94.
  26. ↑ Kozik, A. N. Testning av oljeledningar med internt tryck / A. N. Kozik // Bulletin från Polotsk State University. -2011. – Nr 8. – S. 110-114.
  27. ↑ Anordning för provning av material för korrosion och erosionsutmattning: Pat. 9573 Rep. Vitryssland, IPC G 01N3 / 56, G 01N17 / 00 / A. A. Kostyuchenko, A. M. Bordovsky, V. V. Vorobyov, V. O. Zamyatnin, L. A. Sosnovsky; sökande RUE "Gomeltransneft Druzhba", LLC "NPO TRIBO-FATIKA". - nr. a20050020; dec. 01/10/2005; publ. 2007-08-30. - 2007. - 6 sid.
  28. ↑ Kostyuchenko, A. A. Korrosionsmekanisk styrka hos undervattenssektioner av oljeledningar / A. A. Kostyuchenko / vetenskaplig. ed. L. A. Sosnovsky. - Gomel: BelSUT, 2008. - 47 sid.
  29. ↑ Oljeledningar. Testmetod genom internt tryck till fel (Vitrysslands standard): STB 2162–2011. - Inmatning. 2011-01-07. - Mn. : GOSSTANDART, 2011. - 34 sid.
  30. ↑ Oljeledningar. Metoder för att testa rörstål för sprickbeständighet (Standard of Belarus): STB 2502–2017. - Inmatning. 01.10.2017. - Mn. : GOSSTANDART, 2017. - 29 sid.
  31. ↑ Sherbakov, SS Den tvärvetenskapliga inställningen till analys och prognos av operationell skadetolerans för oljerörledningssystemet - Del 1 / SS Sherbakov // Pipelinevetenskap och teknologi. - 2019. - Vol. 3. - Nr 2. - S. 134–148.
  32. ↑ Sherbakov, SS Den tvärvetenskapliga inställningen till analys och prognos av operationell skadetolerans för oljerörledningssystemet - Del 2 / SS Sherbakov // Pipelinevetenskap och teknologi. - 2020. - Vol. 4. - Nr 1 (3). – S. 62–73.
  33. ↑ Handlingar från den 7:e internationella konferensen om kontaktmekanik och slitage på järnvägs-/hjulsystem (Brisbane, Australien, 24–27 september 2006). – Brisbane, 2006.
  34. ↑ Proceedings of World Tribology Congress V: Turin, Italien, 8–13 september 2013. – Turin, 2013.
  35. ↑ Arrangemang och underhåll av spår och rullande materiel för tunga och höghastighetståg "hjul - räls" : lör. tr. vetenskapligt-praktiskt. Conf., Moskva, VNIIZhT, 28–29 oktober. 2008 - M. : VNIIZhT, 2008.
  36. ↑ 1 2 Nodulärt gjutjärn med hög utmattningsmotstånd. Betyg och mekaniska egenskaper (Vitrysslands standard): STB 2544–2019. - Inmatning. 01.10.2019. - Mn. : GOSSTANDART, 2019. - 7 sid.
  37. ↑ Psyrkov, N.V. Speciellt segjärn med nodulär grafit som ett nytt strukturmaterial / N.V. Psyrkov // Mekanik för maskiner, mekanismer och material. - 2012. - Nr 3 (20) - 4 (21). – S. 213–218.
  38. ↑ Sosnovsky, L. A. Tribo-trötthetshjul/rälssystem för tung trafik: ökade belastningar och ... minskade kostnader? / L. A. Sosnovsky, V. A. Gapanovich, V. I. Senko, V. I. Matvetsov, S. S. Shcherbakov, V. V. Komissarov // Bulletin of BelSUT: Science and transport. - 2016. - Nr 1 (32). – S. 219–226.
  39. ↑ Shcherbakov, S. S. Spänningstöjningstillstånd och volymetriska skador i närheten av kontaktinteraktion i tribo-utmattningssystemets hjul / skena, med hänsyn till beröringsfri deformation av skenan / S. S. Shcherbakov, O. A. Nasan // Bulletin of BelSUT: Science och Transport. - 2016. - Nr 1 (32). – S. 234–247.
  40. ↑ Hampton, RD "Rail korrugering - erfarenhet av US transitegenskaper" // RD Hampton // Transp. Res. Rec. - 1986. - Nr 1071. - S. 16–18.
  41. ↑ Tyurin, S. A. Experimentell studie av kvarvarande vågliknande skada med initierad initial distorsion av provets form / S. A. Tyurin, S. S. Shcherbakov // Bulletin of BelSUT: Science and Transport. - 2005. - Nr 2. - S. 88–93.
  42. ↑ Metod för att testa kugghjulsmaterialet för kontakt- och böjutmattning: Pat. 9247 Rep. Vitryssland, IPC G 01M13/02 / V. A. Zhmailik, V. A. Andriyashin, L. A. Sosnovsky, A. M. Zakharik, Al. M. Zakharik, V.V. Komissarov, S.S. Shcherbakov; sökande PO "Gomselmash", OIM NAS B. - nr a20040781; dec. 2004-08-19; publ. 2007-04-30. - 2007. - 6 sid.
  43. ↑ Sosnovskiy, LA Kontakt- och böjtrötthet av kugghjul / LA Sosnovskiy, VA Zhmailik, SS Shcharbakou, VV Komissarov // Proc. av World Tribology Congress III: Washington, DC, USA, 12–16 september 2005. – Washington, 2005.
  44. ↑ Zhmailik, V. A. Experimentell studie av utmattningsmotstånd, kvalitet och risk för att använda material för växlar / V. A. Zhmaylik // Bulletin of the Brest State Technical University. - 2001. - Nr 4. - S. 15–17.
  45. ↑ Zakharik, A. M. Ett integrerat tillvägagångssätt för att bedöma styrkans tillförlitlighet hos växeln / A. M. Zakharik, A. M. Goman, V. V. Komissarov // Science and Innovations. - 2010. - Nr 9 (91). – S. 20–23.
  46. ↑ Zhmailik, V.A. Beräkning och experimentell metod för att bedöma hållfastheten hos växlarna i huvudparet av drivaxeln MAZ-5440 / V.A. Zhmailik, A.M. Zakharik, Al. M. Zakharik, A. M. Goman, Yu. L. Soliterman, V. V. Komissarov, L. A. Sosnovsky // Bulletin of BelSUT: Science and transport. - 2008. - Nr 1 (16). – S. 72–80.

Länkar