Технологическое управление триботехническими характеристиками соединений типа подшипников скольжения, работающих в условиях динамических нагрузок, на основе использования износостойких покрытий

В качестве главного рычага интенсификации экономики страны всегда выступало и выступает широкое внедрение техники новых поколений, принципиально новых технологий, обеспечивающих наивысшую производительность и эффективность с учетом самых современных достижений науки и техники.

Особая роль в этом процессе принадлежит машиностроению. Она заключается в создании машин новых типов с высокими технико-экономическими характеристиками, отвечающих современному уровню развития науки и техники, что непосредственно связано с проблемой повышения износостойкости, надежности и долговечности деталей машин. Низкий уровень надежности и долговечности приводит к ухудшению использования производственных мощностей, резко повышает затраты труда на ремонт и обслуживание техники.

С целью обеспечения высокой надёжности и работоспособности техники в период эксплуатации требуется постоянное совершенствование производства, а именно, освоение новых технологических процессов, совершенствование производственного и испытательного оборудования, внедрение систем автоматизированного проектирования, изготовления, контроля и диагностики, внедрение отраслевых информационно-управляющих систем и т. д.

В сфере производства изделий широко развиваются новые направления обеспечения и повышения качества и надёжности продукции, в числе которых: применение упрочняющих технологий при обработке материалов и деталей, внедрение автоматизированных средств неразрушающего контроля и технического диагностирования на базе ЭВМ, внедрение робототехники и гибких автоматизированных производств.

Развитие этих направлений совершенствования производства необходимо решать на основе повышения точности и параметрической надёжности технологических систем.

Исследования по влиянию технологических методов обработки и их условий на качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин ведутся по двум направлениям: 1) технологическое обеспечение эксплуатационных свойств через управление параметрами состояния поверхностного слоя на стадии изготовления- 2) определение непосредственной связи условий обработки с эксплуатационными свойствами.

Как показывают многочисленные исследования российских и зарубежных ученых, надёжность и долговечность машин, механизмов и приборов во многом зависят от состояния тонких поверхностных слоев деталей. К числу важных достижений советской и российской технической науки относятся: создание нового научно-практического направления в технологии машиностроения — технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин, разработка учения о технологической наследственности, разработка теории трения и изнашивания, открытие явления избирательного переноса. Эти достижения служат предпосылкой для разработки и внедрения новых перспективных комбинированных технологий, позволяющих повысить износостойкость в процессе эксплуатации в несколько раз и создать условия для инициализации явления избирательного переноса в процессе эксплуатации. Такого эффекта можно достичь, используя комбинированную технологию обработки, включающую технологию нанесения твердых износостойких покрытий в сочетании с отделочно-упрочняющей обработкой и нанесением мягких медесодержащих приработочных пленок. Как показывает анализ работ в этом направлении, исследования эксплуатационных свойств, в частности износостойкости, осуществлялись в квазистатических условиях, то есть при постоянстве нагрузки, действующей в сопряжении. Такой подход не отвечает требованиям практики, т.к. реальные условия эксплуатации соединений деталей машин имеют динамическую природу, т. е. нагрузка является функцией времени. Этот факт подчеркивает необходимость исследований технологического обеспечения параметров износостойкости в динамике.

Весьма важно дальнейшее исследование вопросов технологического обеспечения соединений типа подшипников скольжения. Это обусловлено, в частности, их широкой применимостью в технологической оснастке, главным назначением которой является обеспечение точности обработки. Например, в качестве типовых соединений данного типа можно рассматривать передние и задние направления борштанг в оснастке, применяемой на расточных операциях.

К настоящему времени технологическая наука продвинулась в рассмотрении технологического процесса как единой комбинированной системы обеспечения параметров качества поверхностного слоя деталей машин и, в частности, одной из актуальных задач является задача исследования технологических систем в части их параметрической надежности.

В работах [107, 108] и др. доказано, что технологический процесс обработки контактирующих поверхностей трибоэлементов и процесс приработки с соответствующими значениями его параметров (нагрузка, скорость, смазка и др.) следует рассматривать как единую триботехнологическую систему.

В настоящее время недостаточно исследований, рассматривающих в комплексе эти вопросы.

В связи с этим, при решении вопросов повышения качества деталей машин и улучшения эксплуатационных свойств их поверхностей определённую актуальность приобретают исследования возможностей самих технологических систем (ТС) и, в частности, их параметрической надёжности.

В связи с этим, целью работы является решение актуальной технической задачи технологического управления триботехническими характеристиками, в рамках единой триботехнологической системы, цилиндрических соединений типа подшипников скольжения9 работающих в условиях динамических нагрузок, на основе использования износостойких покрытий.

Проводимые исследования базировались на научных основах технологии машиностроения (д.т.н., проф. А. П. Соколовский, д.т.н., проф. A.M. Дальский, д.т.н., проф. А. Г. Суслов и др.), теории надёжности машин и современной теории и практике исследования надёжности технологического обеспечения качества и эксплуатационных свойств поверхностей деталей (д.т.н., проф. А. С. Проников и др.), физико-статистической теории формирования геометрических параметров поверхности (д.т.н., проф. И.В. Дунин-Барковский и др.), теории технологической наследственности (д.т.н., проф. A.M. Дальский и др.), теоретических основах технологического обеспечения параметров состояния поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машин на стадии их изготовления (д.т.н., проф. Э. В. Рыжов, д.т.н., проф. А. Г. Суслов и др.).

Поставленная цель исследований, в силу ее сложности, достигается только за счет комплексного решения ряда задач, которые носят как технологический, так и триботехнический характер:

1. Обоснование эффективного технологического процесса комбинированной обработки на основе нанесения твёрдых износостойких покрытий и исследование его возможностей по обеспечению ПКПС;

2. Определение критерия рационального выбора системы показателей качества поверхностей деталей машин и их соединений на основе теорий информации и надёжности;

3. Разработка рекомендаций для диагностики функционирующих технологических или триботехнологических систем по значениям их выходных характеристик с позиций теории информации и теории случайных процессов;

4. Разработка экспериментальной установки и методики исследований влияния технологических факторов обработки поверхностей трибоэлементов на триботехнические характеристики цилиндрических пар трения-скольжения в условиях динамических нагрузок;

5. Построение и анализ имитационных физико-статистических моделей воздействия факторов технологического процесса обработки поверхностей трибоэлементов на параметры качества поверхностей и триботехнические характеристики их соединений в рамках единой триботехнологической системы;

6. Определение надёжности технологического обеспечения параметров качества поверхности антифрикционной обработкой и триботехнических характеристик процесса приработки в условиях динамических нагрузок;

7. Создание баз данных по параметрам имитационных моделей формирования параметров качества поверхностей (выходной и эксплуатационный микропрофили, триботехнические характеристики процесса приработки), а также по надёжности их технологического обеспечения.

Комплексное решение возможно на основе системного подхода как к разработке и анализу технологических процессов обработки поверхностей деталей машин, так и к планированию и анализу стендовых испытаний их износостойкости.

В работе используются как теоретические и экспериментальные, так и стандартные и специальные методы исследования технологического обеспечения параметров состояния поверхностного слоя и износостойкости поверхностей деталей машин.

Экспериментальные исследования триботехнических характеристик моделей подшипников скольжения проводились на специально сконструированной и изготовленной установке, позволяющей моделировать реальные условия эксплуатации пар трения-скольжения в широком диапазоне вариации нагрузок и скоростей. Величина износа поверхностей измерялась методом естественных баз путем профилографирования и круглограм-мографирования на специальном комплексе, включающем в себя ПЭВМ.

Надёжность технологического обеспечения исследуемых параметров определялась путем статистической обработки машинных экспериментов (МЭ) над имитационными моделями (ИМ), проведенных по схеме Монте-Карло.

Для рассматриваемых триботехнических характеристик исследовалось влияние целого ряда факторов, характеризующих материалы, технологию обработки функциональных поверхностей трибоэлементов и условия процесса приработки.

В работе для диагностики работоспособности триботехнологических систем предлагается комплексный показатель работоспособности соединения С0- В частном случае в качестве него может использоваться и какой-либо один из показателей триботехнических свойств, например, коэффициент трения. Приводятся зависимости, позволяющие рассчитать информацию о различных состояниях триботехнической системы, содержащуюся в показателе С0, и блок-схема расчёта количества информации.

По результатам экспериментов построены имитационные модели формирования параметров качества поверхностейисследованы корреляционные связи между параметрами качествапроведен анализ Парето влияния входных факторов на формирование параметров качестварассчитана параметрическая надёжность указанных технологических систем. Полученные статистические модели формирования эксплуатационных параметров в зависимости от условий обработки могут быть использованы для расчета последних в подсистемах автоматизированного проектирования.

Результаты проведенных исследований позволяют сформулировать новые научные положения:

1. Анализ процессов приработки пар трения-скольжения подтвердил, что процессы механической обработки контактирующих поверхностей и приработки следует рассматривать как компоненты единой триботехнологической системы не только в квазистатических условиях, но и при действии динамических нагрузок;

2. Разработан критерий выбора оптимальной регламентируемой системы характеристик поверхностного слоя по минимуму суммарной информационной энтропии и максимуму надёжности технологического обеспечения;

3. На основе физико-статистического моделирования, теории надёжности и теории информации предложена схема диагностики работоспособности технологических и триботехнологических систем, использующая комплексный показатель их работоспособности, в качестве которого в частном случае могут рассматриваться и отдельные технологические или триботехнические характеристики;

4. На основе рассмотрения модели процесса изнашивания, как случайного с простейшими потоками отказов и восстановлений, предложен метод вероятностного анализа работоспособности триботехнологических систем, позволяющий определить среднее время нормального функционирования соединения в стационарном режиме работы в зависимости от условий обработки поверхностей трибоэлементов.

Автор защищает:

1. Технологический процесс комбинированной антифрикционной обработки поверхностей трибоэлементов на основе нанесения твёрдых износостойких покрытий и последующего алмазного выглаживания;

2. Критерий рационального выбора системы показателей качества поверхностного слоя деталей машин на основе теории информации и теории надёжности;

3. Критерий прагматической ценности информации параметров состояния поверхностных слоёв контактирующих деталей с целью технологического обеспечения того или иного эксплуатационного свойства соединений;

4. Схему диагностики работоспособности технологических или триботехнологических систем по значениям их выходных характеристик;

5. Физико-статистические модели формирования параметров микропрофиля поверхностей с учётом технологической наследственности, которая обусловлена значениями факторов обработки на различных стадиях технологического воздействия;

6. Соотношение технологических (от 39 до 42%) и эксплуатационных (от 58 до 61%) факторов триботехнологических систем в обеспечении процесса работоспособности соединений типа подшипников скольжения;

7. Базы данных по коэффициентам имитационных моделей формирования параметров качества поверхностей после комбинированной антифрикционной обработки на основе износостойких покрытий и их триботехническим характеристикам.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Обоснована комбинированная антифрикционная технология обработки поверхностей трибоэлементов, основанная на применении твёрдых износостойких покрытий и алмазного выглаживания, готовая к промышленному внедрению.

2. Создана программируемая экспериментальная установка и методика для проведения исследований прирабатываемости цилиндрических пар трения-скольжения в условиях динамики.

3. Приняты существующие и получены новые имитационные модели формирования параметров качества поверхностей и триботехнических показателей в зависимости от технологических факторов обработки и процесса приработки в условиях динамики, а также базы данных коэффициентов моделей, пригодные к практическому использованию.

4. Созданы графические и табличные базы данных по надёжности технологического обеспечения параметров качества поверхностей и триботехнических характеристик пар трения-скольжения типа подшипников скольжения, работающих в условиях динамических нагрузок.

Реализация работы. Существует принципиальная возможность реализации форсированной приработки как заключительной части технологического процесса изготовления пар трения-скольжения.

Диссертация выполнялась в рамках конкурса 2000 года на соискание грантов министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области машиностроения по теме «Разработка аппаратных и программно-технических средств для комплексного определения, анализа и хранения информации о геометрических характеристиках поверхностей деталей машин» (шифр Т00−6.3−360).

Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология машиностроения» Брянского государственного технического университета.

ВЫВОДЫ.

1. Установлено, что на модели формирования параметров микропрофиля при комбинированной антифрикционной обработке, а также на значения молекулярной составляющей коэффициента трения и прочность адгезионной связи процесс естественного старения значимого влияния не оказывает.

2. В результате экспериментальных исследований определены триботехнические характеристики цилиндрических пар трения-скольжения в условиях динамических нагрузок, функциональные поверхности которых подвергнуты обоснованной комбинированной антифрикционной обработке.

3. Построены физико-статистические модели триботехнических характеристик исследуемых пар трения-скольжения, включающие как технологические параметры, так и параметры эксплуатации, т. е. реализован подход к соединению типа подшипника скольжения как к единой триботехнологической системе.

4. Предложена модель экспоненциальной интерпретации коэффициента трения, которая включает его различные параметры в процессе приработки и позволяет прогнозировать его величину в зависимости от начального значения и пути трения L.

5. Реализована возможность управления триботехническими характеристиками пар трения-скольжения в условиях динамического нагружения в виде соответствующих диаграмм.

6. С помощью диаграмм Парето установлены степени влияния факторов триботехнологических систем на важнейшие характеристики процессов приработки.

7. На основе теории информации установлено, что наибольшей определённостью и максимальной надёжностью, при значении относительного отклонения ± 0,1 от номинала, технологически обеспечиваются параметры L0i, L02, Ь0ь h02, а с наименьшей — параметры 12, I2, f0, fbAf, к.

8. Для исследуемого процесса комбинированной антифрикционной обработки методом ранговой конкордации установлено, что на эксплуатационные параметры исследуемых соединений типа подшипников скольжения технологическая подсистема оказывает влияние от 39 до 42%, а эксплуатационная — от 58 до 61%, что подтверждает необходимость рассмотрения технологии обработки поверхностей трибоэлементов и процесса их приработки в совокупности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили решить важную научно-техническую задачу технологического управления триботехническими характеристиками пар трения-скольжения, работающих в условиях динамической нагрузки, на основе применения твёрдых нитридсодержащих покрытий.

Решение указанной задачи способствует дальнейшему развитию технологической науки в обеспечении заданных триботехнических характеристик соединений деталей машин типа подшипников скольжения и его надёжности. При этом была синтезирована технологическая система комбинированной антифрикционной обработки на основе применения алмазного выглаживания, нанесения твёрдых нитридсодержащих покрытий и мягких приработочных плёнок на функциональные поверхности трибоэлементов.

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Обоснована эффективная комбинированная антифрикционная технология обработки поверхностей трения-скольжения трибоэлементов, сочетающая чистовые методы обработки резанием (тонкое точение, круглое шлифование), нанесение твёрдых износостойких нитридсодержащих покрытий методом катодно-ионной бомбардировки в вакууме и алмазное выглаживание;

2. На основе анализа теоретических и экспериментальных исследований в области технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений предложен критерий выбора рациональной регламентируемой системы качества поверхностного слоя по минимуму суммарной информационной энтропии и максимуму надёжности их технологического обеспечения;

3. На основе системного подхода к технологии обработки поверхностей трибоэлементов и их эксплуатации в узлах трения-скольжения разработана общая методика проведения комплексных экспериментальных исследований, отличающаяся от существующих учётом динамических факторов эксплуатации и позволяющая выявить качественное и количественное их влияние на триботехнические характеристики в совокупности с влиянием технологических факторов обработки;

4. Разработана экспериментальная установка и методика комплексных исследований влияния технологических факторов обработки поверхностей трибоэлементов, а также факторов эксплуатации на триботехнические характеристики пар трения-скольжения в условиях динамических нагрузок, позволяющая программным способом реализовать следующие виды нагрузки на трибоэлементы: статическую, пульсирующую и изменяющуюся по гармоническому закону;

5. Установлено следующее: вклад технологических факторов обработки при динамической нагрузке в формирование величин рассматриваемых триботехнических характеристик (h0b h02? L0b L02, аь а2, (Зь 32, 1ь b, fo, fi, К Af) составляет в среднем 47,3%, а факторов приработки — 52,7%;

S ранжирование исследуемых факторов триботехнологической системы показало, что наибольшая доля влияния принадлежит силе алмазного выглаживания и смазке, минимальное влияние (7%) принадлежит скорости относительного скольжения. Остальные факторы вносят вклад в формирование исследуемых параметров примерно одинаковый (в среднем 10%);

S на основе расчёта коэффициента ранговой конкордации (W = 0,07) установлено, что с помощью исследуемых технологических факторов нельзя одновременно целенаправленно управлять всеми рассматриваемыми триботехническими параметрами, что делает невозможной оптимизацию обработки по всем параметрам приработки;

6. Исследуемые параметры процесса приработки обеспечиваются технологически с различной надёжностью:

S при 5 = 0,3 параметры h0i, ho2, L0i, L02, обеспечиваются с максимальной надёжностью в пределах Р = 0,95.0,98. Остальные параметры имеют более низкую надёжность обеспечения, причём она минимальна для параметров рь (32, h> и f| (Pmin = 0,25);

S относительно высокую надёжность технологического обеспечения имеет коэффициент трения после приработки (fo). При 5 = 0,3 Р0 = 0,75. Наибольшее относительное влияние на его формирование оказывают: смазка (26%), номинальная нагрузка Р0 (20%), пульсация нагрузки ДР (ь материал покрытия и сила алмазного выглаживания (по 14%).

7. На формирование параметров эксплуатационного микропрофиля трибоэлементов (Ra, Rp, р, А) в процессе приработки оказывает влияние как технология обработки поверхностей валов (в среднем 39% для валов и 42% для вкладышей), так и факторы процесса приработки (61% и 58% соответственно).