Диссертация (Разработка метода обеспечения работоспособности винтовых сопряжений с твердосмазочными покрытиями)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Тверской государственный технический университет»На правах рукописиМединцев Станислав ВикторовичРАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИВИНТОВЫХ СОПРЯЖЕНИЙ С ТВЕРДОСМАЗОЧНЫМИПОКРЫТИЯМИСпециальность: 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и деталимашинДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., доцентБурдо Георгий БорисовичТверь – 2018ОГЛАВЛЕНИЕВведение………………………………………………...…………………………4Глава1.Анализлитературныхисточниковипостановказадачиисследований………………………………………………………………………91.1Теория винтовой пары………………………………………..91.2Применениетвердосмазочныхпокрытийввинтовыхсопряжениях…………………………………………………………...111.3Фрикционное взаимодействие металлических покрытий иТСП…………………………………………………………………….181.4Взаимодействие твѐрдых тел при скольжении……………231.5Распределение нагрузки по виткам трибосопряжений типавинтовая пара………………………………………………………….261.6Оборудование и методики для исследования фрикционныххарактеристиктрибосопряженийствердосмазочнымипокрытиями……………………………………………………………30Глава 2.

Методика исследований………………………………………………352.1 Материалы и покрытия…………………………………………..352.2Приборыиметодикидляисследованияповерхностиконтактирующих тел…………………………………………………362.3 Оборудование и методики для испытания пар трения ствердосмазочными покрытиями……………………………………..442.4Методикаоценкирезультатовэкспериментальныхисследований………………………………………………………….54Глава 3. Исследование фрикционных характеристик трибосопряжений типавинтовая пара с твердосмазочными покрытиями…………………..573.1 Постановка задачи и расчетная схема…………………………5723.2Исследованиетрибосопряженияраспределениятипавинтоваянагрузкипарасповиткамтвердосмазочнымипокрытиями……………………………………………………………593.2.1 При упругом контакте…………………………………….613.2.2 При пластическом контакте………………………………663.2.3 Анализ результатов расчета………………………………71Глава 4. Экспериментальное исследование фрикционных характеристиктрибосопряженийтипавинтоваяпараствердосмазочнымипокрытиями………………………………………………………………………724.1 Экспериментальное исследование долговечности пар трения сТСП в зависимости от шероховатости контробразца………………724.2 Влияние шероховатости контробразца на распределение размерачастиц износа твердосмазочных покрытий в зоне контакта……….794.3 Экспериментальное исследование процесса приработки взависимости от шероховатости контробразца и толщины покрытияобразца…………………………………………………………………82Глава5.оптимизацияРазработкапараметровметодикивинтовыхобеспеченияработоспособностисопряженийис твердосмазочнымипокрытиями ……………………………………………………………………...835.1.

Разработка методики обеспечения работоспособности иоптимизация параметров винтовых передач с твердосмазочнымипокрытиями …………………………………………………………...835.2. Разработка методики обеспечения работоспособности иоптимизацияпараметроврезьбовыхсоединенийствердосмазочными покрытиями……………………………………..86Основные результаты работы и выводы……………………………………….93Список литературы………………………………………………………………95Приложение 1………………………………………………………………......1053Приложение 2…………………………………………………………………...106Приложение 3…………………………………………………………………...109Приложение 4…………………………………………………………………..1144ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. В машинах и механизмах распространѐннымиэлементами являются винтовые передачи и резьбовые сопряжения снанесенными на рабочие поверхности твѐрдосмазочными покрытиями(ТСП).

В качестве материалов для ТСП применяют мягкие металлы, графит,полимеры и композиционные материалы, содержащие дисульфиды идиселениды тугоплавких металлов.В настоящее время ряд компанийсерийно выпускают винтовые передачи с ТСП. Они имеют высокуюплавность хода, относительно низкий коэффициент трения и способныдлительно выдерживать нагрузки в широком диапазоне температур. Какправило, при проектировании винтовых пар с ТСП используют эмпирическиеметоды, недостатком которых является ограничение области примененияусловиями, в которых они получены. Поэтому разработка методовобеспечения работоспособности винтовых пар с ТСП с учетом ихфункционального назначения открывает новые возможности повышениякачества и снижения себестоимости этих ответственных деталей машин припроектировании, что является актуальной научно-технической задачейсовременного машиностроения.Объект исследования.

Винтовое сопряжение с ТСП на основе мягкихметаллов и полимеров с антифрикционными наполнителями.Предмет исследования. Методики оценки параметров, влияющих наработоспособность трибосопряжений типа винтовая пара с ТСП.Цель работы заключается в разработке методик обеспеченияработоспособности винтовых сопряжений с твердосмазочными покрытиямина этапе проектирования.5Основные задачи исследования:1.Теоретическое исследование распределения нагрузки по виткамвинтовых сопряжений с ТСП;2.Разработкаэкспериментальногооборудованияиметодикидляиспытаний материалов и покрытий на трение и износ;3.Экспериментальное исследование влияния шероховатости контртела наизносостойкость пар трения с ТСП;4.Экспериментальное исследование влияния шероховатости контртела насредний размер частиц износа ТСП и их распределение в зоне контакта;5.Экспериментальное исследование зависимости процесса приработки отшероховатости контробразца и толщины покрытия тела;6.Разработка методик обеспечения работоспособности винтовых передачи номинально неподвижных резьбовых сопряжений с ТСП на этапепроектирования.Научная новизна работы:Состоит в развитии методик оценки работоспособности и управленияфункциональными свойствами винтовых сопряжений с ТСП:-впервыеполученатеоретическаязависимость,позволяющаяопределять распределение нагрузки по виткам винтовых пар с ТСП приупругом и пластическом контактах;винтовойэкспериментальнопарысТСПподтвержденаотпараметровзависимостьдолговечностишероховатостиконтртела(шероховатого образца);- разработана методика обеспечения работоспособности винтовыхпередач и номинально неподвижных резьбовых сопряжений с ТСП на этапепроектирования.6Методология и методы исследованияМетодология исследования заключалась в проведении расчетов,экспериментальных испытаний и исследования поверхностей образцов намикроуровне.Для исследования использовались положения теории упругости ипластичности, методы экспериментальной трибологии, методыматематической статистики.

Для проведения испытаний пар трений с ТСПбыло разработано устройство для испытания материалов на трение и износ,позволяющее определять фактическую нормальную нагрузку и моменттрения при торцевой схеме трения.Для исследования образцов были использованы контактные методы,методы оптической микроскопии и растровой электронной микроскопии свозможностью проведения химического анализа.Положения, выносимые на защиту•методикаобеспеченияработоспособностивинтовыхноминально неподвижных резьбовых сопряжений с ТСПпередачина этапепроектирования;•теоретические зависимости, позволяющие определять распределениенагрузки по виткам винтовых пар с ТСП при упругом и пластическомконтактах в зависимости от нагрузки, свойств материалов, толщиныпокрытия, шага и количества витков и параметров шероховатости контртела;•экспериментальные зависимости влияния шероховатости контртела надолговечность трибосопряжений с ТСП и распределение размера частицизноса ТСП в зоне контакта;•зависимость процесса приработки от шероховатости контртела итолщины ТСП.Теоретическая и практическая значимость работы.Теоретическая значимость работы состоит в развитии методологииоценки работоспособности и управления функциональными свойствами7винтовых сопряжений с ТСП на этапе проектирования.

Предложеннаяметодика оценки распределения нагрузки по виткам винтовых пар с ТСПрасширяет возможности оценки основных параметров, влияющих наработоспособность. Результаты исследований могут быть использованы припроектировании резьбовых сопряжений и винтовых пар с твердосмазочнымипокрытиями, а также нового экспериментального оборудования дляиспытания пар трения с ТСП.Обоснованность и достоверность результатов исследования.Обоснованность и достоверность результатов исследования базируетсяна последовательном анализе теоретических исследованиях и подтвержденииих данными испытаний для условий работы пар трения с твердосмазочнымипокрытиями.Припроведенииисследованийиспользовалисьстандартизованные, а также, принятые в научной практике методыстатистической обработки экспериментальных данных и планированияэкспериментов.Основные положения работы докладывались и обсуждались наследующих конференциях и форумах:1.Х Всероссийская конференция по проблемам новых технологий(Миасс, 2013 г.);2.Десятая юбилейная Всероссийская научно-техническая конференция сучастием иностранных специалистов «Трибология - машиностроению»(Москва, 2014 г.);3.Московский международный салон изобретений и инновационныхтехнологий «Архимед» (Москва, 2015 г.)4.Конкурс инновационных проектов «ИнноМУВ-2015-осень» (Тверь,2015 г.)5.Международная научно – техническая конференция «Полимерныекомпозиты и трибология» (Республика Беларусь, Гомель 2015г.);6.Российско-китайский форум высоких технологий (Москва, 2015 г.)8ГЛАВА 1.Анализ литературных источников и постановка задачи исследований.1.1Теория винтовой пары.Если винт нагружен осевой силойF(рисунок 1.1), то длязавинчивания гайки к ключу необходимо приложить момент Т зав , а кстрежню винта – реактивный момент Т р , который удерживает от вращения.При этом можно записать [30]:Т зав  Т T  TP(1.1)где Т T – момент сил трения на опорном торце гайки; TP – момент сил трения врезьбе.Рисунок 1.1Расчетная схема момента завинчивания [30].Равенство (1.1), так же как и последующие зависимости, справедливодля любых винтовых пар, таких как болты, винты, шпильки и винтовыепередачи.9Не допуская существенной погрешности, принимают приведенныйрадиус сил трения на опорном торце гайки равный среднему радиусу этоготорца.Т T  Ff ( Dср / 2)(1.2)где Dср  ( D1  d отв ) / 2 ; D1 – наружный диаметр опорного торца гайки; d отв –диаметр отверстия под винт; f – коэффициент трения на торце гайки.Для определения момента сил в резьбе, необходимо рассматриватьгайку как ползун (рисунок 1.2), поднимающийся по наклонной плоскости[30].Т Р  0,5Fd 2tg (   )(1.3)где  – угол подъема резьбы;   arctg ( f пр ) – угол трения в резьбе; f пр –приведенный коэффициент трения в резьбе, учитывающий влияние углапрофиля.Рисунок 1.2Расчетная схема момента сил в резьбе [30].Подставляя в формулу (1.1) формулы (1.2) и (1.3) получим:Т зав  0,5Fd 2 ( Dср / d 2 ) f  tg (   )(1.4)10При отвинчивании гайки окружная сила Ft и силы трения меняютнаправление:Ft  Ftg (  )(1.5)Момент отвинчивания с учетом трения на торце гайки [30]:Т отв  0,5Fd 2 ( Dср / d 2 ) f  tg (  )(1.6)Данные зависимости позволяют сделать следующие выводы [30]:1.

Формула (1.4) позволяет подсчитать отношение осевой силы винта F кFх , приложенной на ручке ключа;2. Стержень винта не только растягивается силой, но и закручиваетсямоментом Т Р .1.2 Применение твердосмазочных покрытий в винтовых сопряжениях.ВпервыеТСПначалииспользоватьвэлементахкосмическихлетательных аппаратах. К данным элементам можно отнести механизмыраскрытия антенн, регулируемые опоры и подвески двигателей космическихаппаратов, замки рабочих лопаток газо-турбинных двигателей, силовыевозвратно-поступательные приводы, подшипники, а также резьбовые изубчатые соединения. Позже ТСП начали использовать и в других областях.Новыми областями применения ТСП стали: вооружения, авиация, вакуумнаяи криогенная техника, автомобильная промышленность, оборудование длянефтяной, химической, пищевой и фармакологической промышленности,электромеханическиеустройства,втехнологическихпроцессахприпроизводстве резино-технических изделий и сборке высоконагруженныхузлов и т.д.