Диссертация (Разработка метода обеспечения работоспособности винтовых сопряжений с твердосмазочными покрытиями), страница 9

При упругой деформации первый и второй виткирезьбы воспринимают 24,6% (соответственно 13,4% и 11,2%), а Кm = 0,84.Результаты сравнительных расчѐтов показывают, что при упругихдеформациях покрытия, нагрузка между витками распределяется болееравномерно, поэтому в случае пластического характера деформаций ТСП,условия эксплуатации винтового сопряжения являются менее приемлемыми.Полученные в работе соотношения показывают, что при использованииТСП в винтовых сопряжениях коэффициент K m принимает значения от 0,70до 0,93.71ГЛАВА 4Экспериментальные исследования фрикционных характеристиктрибосопряжений типа винтовая пара с твердосмазочными покрытиями.4.1 Экспериментальное исследование долговечности пар трения с ТСП взависимости от шероховатости контробразцаЭкспериментальное исследование долговечности ТСП, на примереВНИИ НП-212, в зависимости от исходной шероховатости контробразца,проводилось на разработанной УМТИ при торцевой схеме трения.

Режимыиспытания представлены в таблице 4.1. Образцы считались изношеннымипри повышении коэффициента трения на 30% от первоначального.Таблица 4.1Режимы испытания образцов на УМТИ.ПараметрСкорость трения, м/сНормальная нагрузка, НПлощадь взаимногоперекрытия образцов, м2Номинальное давление, MПaЗначение0,173360,000240,15Представленные на рисунке 4.1 результаты позволяют сделать вывод оналичииоптимальнойшероховатостидляконтробразцов,взаимодействующих с образцом с ТСП. В данном случае оптимальнаяшероховатость соответствует контробразцу 3 (таблица 2.1).72n2,цикл.8000070000600005000040000300002000010000Ra,мкм000,511,522,533,5Рисунок 4.1Влияние исходной шероховатости контробразцов на долговечность покрытияВНИИ НП-212.Дляисследованияпроцессовизнашивания,протекающихприфрикционном взаимодействии ТСП с поверхностями, имеющими различнуюисходнуюшероховатость,контактирующихпроводилисьповерхностей.лабораторныеРезультатыисследованияисследованияэволюциимикрогеометрии контробразцов представлены в таблице 4.2.Таблица 4.2Эволюция микрогеометрии контробразцов№ образца1-после приработки1-после исчерпанияресурса3-после приработки3-после исчерпанияресурсаRa(мкм)0,035Rq (мкм)0,05Rp(мкм)0,17Sm(мм)0,037tm0,470,050,070,20,0410,651,061,373,40,10,611,151,42,960,1820,5973Как следует из представленных данных, высотные параметрымикрогеометрии контробразцов, достигаютминимума по окончаниюприработки и возрастают после исчерпания ресурса ТСП, не достигая своихисходных значений.Анализ поверхности образца с ВНИИ НП-212 и взаимодействующего сним контробразца 3 (рисунок 4.2) показал, что основная часть материалаТСП, после приработки, за счѐт фрикционного переноса с поверхностиобразца формирует покрытие на шероховатой поверхности контробразцарисунок 4.2 б).

Потеря работоспособности пары трения (рисунок 4.2 в))происходит при полном локальном износе покрытия на поверхностяхобразца и контробразца.а)б)в)Рисунок 4.2Результаты исследования состояния поверхностей образца с ТСП (верхнийряд) и взаимодействующего с ними контробразца 3 (нижний ряд): а)исходное состояние поверхностей; б) их состояние после приработки; в)состояние поверхностей после исчерпания ресурса ТСП.74При анализе образца с ТСП и взаимодействующего с ним контробразца1 (рисунок 4.3), имеющего меньшую шероховатость, существенногофрикционного переноса материала ТСП на их поверхность после приработкине обнаружено.а)б)в)Рисунок 4.3Результаты исследования состояния поверхностей образца с ТСП (верхнийряд) и взаимодействующего с ними контробразца 1 (нижний ряд): а)исходное состояние поверхностей; б) их состояние после приработки; в)состояние поверхностей после исчерпания ресурса ТСП.На рисунке 4.4 представлены карты исследуемых разномасштабныхзон 1-го и 3-го контробразцов после исчерпания ресурса ТСП.

Данные картыналожены на фото, полученные на микроскопе JEOL JSM-6610LV спомощью SEI-детектора вторичных электронов. Выбор зон химическогоанализа исходит из наиболее полного отражения химического состава75поверхности образца, в тоже время количество зон не должно бытьизлишним. Исходя из этого, были выбраны четыре зоны:1)спектр 1 – зона для исследования светлой области;2)спектр 2 – зона для исследования темной области;3)спектр 3 – прямоугольная зона для исследования усредненногозначения содержания хим.

элементов;4)спектр 4 – прямоугольная зона для исследования усредненногозначения содержания хим. элементов на всей фотографии.а)б)Рисунок 4.4Карты исследуемых разномасштабных зон 1-го- а) и 3-го- б) контробразцов.Результатыколичественногоанализахимическогосоставаконтробразцов для рассматриваемых зон представлены в таблице 4.3 нарисунках 4.5 и 4.6.76а)в)б)г)Рисунок 4.5Результирующие графики спектрального анализа контробразца 1а) спектр 1, б) спектр 2, в) спектр 3, г) спектр 4.а)в)б)г)Рисунок 4.6Результирующие графики спектрального анализа контробразцашероховатостью Ra 1,6 а) спектр 1, б) спектр 2, в) спектр 3, г) спектр 4.77Таблица 4.3Содержание химических элементов на поверхности контробразцов№спектра1234№контрообр.Содержание хим.

элемента, %CNOSiSFeMo155,609,048,52-11,658,506,69351,089,2512,49-14,254,528,40174,423,284,580,120,8616,200,55368,387,494,970,1012,200,086,94141,26-6,55-1,2550,130,82344,1211,7911,19-20,550,1712,53142,0843,6312,006,3311,65-1,5819,2748,942,011,0811,433Результаты сравнительного анализа показывают низкое содержаниеэлементов Mo и S, образующихMoS2, на поверхности контробразца 1.Однако на его поверхности присутствуют частицы износа ВНИИ НП-212,что показывают результаты химического анализа зоны Спектр 1. Как видноиз представленных данных на 3-м контробразце, при увеличении исходнойшероховатости содержание Мо и S существенно выше.Вышеизложенное позволяет сделать вывод, что при возрастаниишероховатости, ТСП аккумулируется во впадинах контробразца, чтопозволяет задерживаться покрытию в зоне контакта, тем самым повышатьдолговечность пары трения.

В тоже время, при увеличении исходнойшероховатости более Ra 1,6 мкм, ТСП толщиной 20 мкм не достаточно,чтобы заполнить впадины на поверхности контробразца, что объясняетсяснижением долговечности.784.2 Влияние шероховатости контробразца на распределение размера частицизноса твердосмазочных покрытий в зоне контакта.Для исследования влияния шероховатости на размер частиц износапокрытия ВНИИ НП-212 с шероховатыми контробразцами было проведеноисследование поверхностей изношенных образцов (рисунок 4.7).

Былапроизведена выборка 40 частиц различного размера для каждого образца исделаны расчеты.Рисунок 4.7Поверхности изношенных образцов с ВНИИ НП-212 после испытаний сконтробразцами с различной шероховатостью.Результаты исследований (рисунок 4.8) показывают, что наиболееравномерное распределение размера частиц износа ТСП происходит пришероховатости равной соответствующей 3-му контробразцу (таблица 2.1).79ni1614Образец №112Образец №210Образец №38Образец №464200,00,10,20,30,40,60,70,80,91,0 xРисунок 4.8График распределения размера частиц износа ВНИИ НП-212 в зависимостиот шероховатости контробразцаВ общем случае, распределение размера частиц можно описатьэкспоненциальнымраспределением.Плотностьвероятностиэкспоненциального распределения описывается выражением:е  x , x  0fx ( x)   x, x  0(4.1)где λ – интенсивность или обратный коэффициент масштаба.Для описания распределения размера частиц: 5(4.2)Исследования размеров частиц износа ТСП для пар трения сконтробразцами, имеющими различную исходную шероховатость (рисунок4.9) показывают, что для реализованных режимов и условий испытанийраспределениесреднихразмеровчастицизносавзависимостиот80шероховатости имеет минимум соответствующий 3-му контробразцу(таблица 2.1).Средний размер частиц, мкм8,007,006,005,004,003,0000,511,522,533,5Ra, мкм4Рисунок 4.9Влияние шероховатости контробразцов на средний размер частиц износаТСПДанныерезультатысоответствующейзадерживаетсясвидетельствуют,контробразцунаибольшее3(таблицаколичествочто2.1)частицпрившероховатостизонеизносаконтактаТСП,чтопредотвращает схватывание и увеличивает долговечность пары трения.814.3 Экспериментальное исследование процесса приработки в зависимости отшероховатости контробразца и толщины покрытия образца.Нарисунке4.10представленырезультатыэкспериментальныхисследований влияния исходных толщин покрытий δ, наносимых на образцы,на число циклов n1 до окончания их приработки для исследуемыхконтробразцов (таблица 1).1400контрообразец 1контрообразец 2контрообразец 3контрообразец 4n1,цикл.12001000800600400200δ, мкм0141618202224262830323436Рисунок 4.10График зависимости времени приработки (n1) от шероховатостиконтробразцов и толщины покрытия образцов.Какследуетизпредставленныхлинейныхаппроксимацийэкспериментальных данных, для контробразцов с различной исходнойшероховатостью увеличение толщины ТСП приводит к увеличениюпродолжительности приработки пар трения.

При этом с увеличениемвысотныхпараметровмикрогеометрииконтробразцов(Ra,Rp)продолжительности приработки также увеличивается.82ГЛАВА 5Разработка методики обеспечения работоспособности и оптимизацияпараметров винтовых сопряжений с твердосмазочными покрытиями5.1. Разработка методики обеспечения работоспособности и оптимизацияпараметров винтовых передач с твердосмазочными покрытиямиОсновным параметром, определяющим работоспособность резьбовыхпередач с ТСП, является максимальная несущая способность. При расчетахмаксимальной несущей способности, необходимо опираться на расчетыконтактных давлений, возникающих на витках.Максимальные контактные напряжения можно вычислить по формуле:q1 Критическоеtm K з4,712 J пвнедрение1, 5Rp 0,2 кр  кр  r  0,05 2 rR pпроизвольного2 12выступа(5.1)шероховатойповерхности в ТСП: кр4где W  3  0,45 *1  (0,45 * ) 2 4  3  122W 323 2W  rRP2 1 24W 3124,5 *10 5 0,035   2,35rJ п HVп ; *  0,03;– толщина ТСП;– средний радиус вершин микронеровностей поверхности гайки;–высота наибольшего выступа профиля шероховатой поверхности гайки[15];– относительная опорная длина профиля по средней линии [22];–83параметр аппроксимации опорной кривой [22];– гамма;функция ; Jп – упругая постоянная ТСП; HVп – твердость покрытия поВиккерсу.Приповышенииконтактногодавленияпроизойдетневыходтрибосопряжения из строя, а увеличение интенсивности изнашивания ТСП.Уравнение осевой нагрузки(Рисунок 5.1), воспринимаемой i-мвитком винтового сопряжения, можно выразить в виде:Fi  q k A cos где– угол профиля;2– средние контактные давления;(5.2)– номинальнаяплощадь контакта i-го витка.Рисунок 5.1Расчетная схема контактных давлений трибосопряжения винтовая пара сТСПУчитывая, что максимальное давление сосредоточено на первом витке,при проектировании винтовых передач с ТСП необходимо производитьрасчет допускаемых нагрузок на данный виток:84ht KF   4d,712J2mз11где1, 5Rp 0,2 кр  кр  r  0,05 2 rR p2 12– номинальная высота профиля винтового сопряжения,(5.3)– среднийдиаметр резьбы.Решая систему уравнений(3.1), (3.3), (5.1), (5.2) и (5.3)можнопроизвести расчет максимальной несущей способности винтовых пар с ТСПи управлять другими параметрами винтовых передач с ТСП.Методика обеспечения работоспособности винтовых пар с ТСПзаключается в следующих пунктах:1.