Дворук Володимир Іванович. Реолого - кінетична концепцшя абразивної зносостійкості та її реалізація в керуванні працездатністю механічних трибосистем

Короткий опис

Дворук Володимир Іванович. Реолого - кінетична концепцшя абразивної зносостійкості та її реалізація в керуванні працездатністю механічних трибосистем : Дис... д-ра наук: 05.02.04 2007

Дворук В.І. Реолого-кінетична концепція абразивної зносостійкості та її реалізація в керуванні працездатністтю механічних трибосистем. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.04 тертя та зношування в машинах. Національний авіційний університет. м. Київ 2007.
Дисертацію присвячено розв’язуванню актульної науково технічної проблеми абразвного зносу та захисту вузлів тертя машин. Вона містить в собі результати теоретично-експериментального обгрунтування реолого-кінетичної концепції абразивної зносостійкості. Запропонована концепція грунтується на реолого-кінетичному зв’язку процесів руйнування та деформування у вигляді фізичної моделі абразивного руйнування і розрахунково-аналітичних моделей абразивного зносу. Вказаний зв’язок встановлено за допомогою нових критеріїв абразивного зносу сплавів, які характеризуються реологічними параметрами. Показано кореляцію цих параметрів з абразивним зносом, що дозволило сформулювати новий принцип мінімізації абразивного зносу. На основі цього принципу здійснено розробку та вибір нових матеріалів для покращення триботехнічних властивостей замкових з’єднань бурильних труб і деталей обладнання ливарного виробництва. Для перевірки адекватності реолого-кінетичної концепції абразивної зносостійкості створено необхідне технічне та методичне забезпечення.
Замкові з’єднання з армованою боковою поверхнею для бурильних труб впроваджено в сирійне промислове виробництво.

1. Однією з центральних проблем науки і техніки є абразивний знос та захист вузлів тертя машин. Ця проблема ще не отримала універсального та загальновизнаного науково обґрунтованого розв‘язання. Для цього запропоновано концепцію абразивної зносостійкості, в основу якої покладено реолого-кінетичний підхід до фундаментального питання про зв’язок між процесами деформування та руйнування. Суть цього підходу полягає в уявленнях про одночасне існування в поверхневому шарі зношуваного сплаву двох різних процесів деформування та руйнування, зв’язок між якими ґрунтується на реології пружно-в’язко-пластичних процесів і на уявленнях про руйнування, як кінетичному процесі. На засадах вказаної концепції розроблено нові моделі абразивного зносу, механізми зношування, критерії порівняльної оцінки зносу, а також принципи мінімізації абразивного зносу сплавів. Застосування нової концепції сприяло вирішенню ряду актуальних практичних завдань з підвищення абразивної зносостійкості вузлів тертя машин, зокрема, замкових з‘єднань труб бурильної колони та деталей обладнання для ливарного виробництва.
2. На основі розкритих закономірностей зв’язку між процесами деформування та руйнування із залученням адекватної реологічної моделі для опису кінетики абразивного зношування обґрунтовано принцип мінімізації абразивного зносу та зношувальної здатності через максимізацію запропонованих реологічних параметрів сплавів.
3. У результаті теоретичних досліджень та експериментальної перевірки їх результатів запропоновано ефективні розрахунково-аналітичні моделі зносу сплавів в умовах тертя ковзання по початковозакріпленому абразиву і зношувальної здатності під час тертя ковзання по початкововільному абразиву у трибоспряженні, які на відміну від відомих моделей враховують фактор зв’язку між процесами руйнування та деформування.
4. На базі результатів триботехнічних досліджень та досліджень товщини пластично деформованого шару встановлено взаємозв’язок руйнування та деформування в умовах абразивного зношування сплавів. Цей зв’язок не можна розглядати з позицій класичного вчення про міцність: урахувати лише вплив процесу деформування на розвиток руйнування за припущення, що деформування в цьому взаємозв’язку є провідним, визначальним процесом, а руйнування веденим, залежним від деформування процесом, тим самим акцентуючи, що будь-якому виду абразивного руйнування завжди передує пластична деформація. Тому в умовах абразивного зношування у сплаві одночасно існують і розвиваються два різні процеси деформування та руйнування, які впливають одне на одне. Залежно від схеми діючих напружень, що визначається механізмом дії абразиву з різним ступенем закріплення (вільний, напівзакріплений, закріплений) провідним, визначальним процесом може бути як деформування, так і руйнування. Отже, взаємозв’язок руйнування та деформування в умовах абразивного зношування слід розглядати з позицій кінетичного вчення про міцність. Фактор зв’язку між руйнуванням та деформуванням враховано в розрахунково-аналітичних моделях та принципі мінімізації зносу під час тертя ковзання по початковозакріпленому абразиву і зношувальної здатності під час тертя ковзання по початково вільному абразиву в трибоспряженні.
5. На підставі результатів триботехнічних досліджень, досліджень питомого електричного опору, а також зіставлення їх із закономірностями механіки руйнування матеріалів установлено, що процеси руйнування та деформування в умовах абразивного зношування мають спільну кінетичну природу. Тому питання про взаємозв’язок цих процесів слід розглядати не з позицій статичного підходу, за якого руйнування це критична подія, що настає після досягнення граничного напруження, а з погляду кінетичного підходу, за якого руйнування це процес, що розвивається у часі, який не можна характеризувати граничним напруженням.
6. За результатами досліджень щодо виявлення провідної ролі одного з процесів руйнування або деформування з урахуванням розкритих закономірностей взаємозв’язку між ними встановлено, що в механізмі зношування в умовах тертя ковзання по початковозакріпленому абразиву визначальне значення має не міцність, як інтегральний показник, а лише її складова опір руйнуванню, а в механізмі зношувальної здатності в умовах тертя ковзання по початкововільному абразиву між тертьовими поверхнями - опір деформуванню сплаву стираної поверхні. Це дозволило запропонувати нові реологічні параметри як критерії порівняльної оцінки абразивного зносу і зношувальної здатності сплавів.
7. Запропоновано комплексний метод досліджень для вивчення зв’язку між процесами руйнування та деформування в умовах абразивного зношування сплавів, який містить в собі триботехнічні і прямі дослідження, а також дослідження з виявлення провідного процесу і фізичної природи руйнування та деформування. Для реалізації такого комплексу розроблено відповідні експериментальні методи, методики і технічні засоби, зокрема методика лабораторних триботехнічних досліджень сплавів для замкових з’єднань і обсадних труб; установка для дослідження електромагнітних властивостей сплавів; методи дослідження реологічних властивостей поверхневого шару модуля пружності, пружної деформації, товщини пластично-деформованого шару, в’язкості руйнування, а також електромагнітних властивостей сплавів.
8. Керуючись положеннями реолого-кінетичної концепції абразивної зносостійкості визначено, що комплекс необхідних триботехнічних властивостей бокової поверхні замкових з‘єднань бурильних труб може бути забезпечений за рахунок підвищення значень введених реологічних параметрів сплавів. Найширші можливості для керування цими параметрами забезпечує використання матеріалів класу макрогетерогенних композитів, які були обрані за основу для створення нових матеріалів для замкових з’єднань.
9. Проведено теоретичний аналіз факторів, що чинять негативний вплив на триботехнічні властивості композитів, у результаті якого основним напрямом їх поліпшення обрано регулювання взаємодії зерен реліту зі сплавом зв’язкою в процесі плазмового наплавлення. З використанням методу математичного планування експерименту визначено склад наповнювачів стрічкового реліту, що забезпечує мінімальний знос і зношувальну здатність в умовах тертя ковзання по початково вільному абразиву в контакті між тертьовими поверхнями, а також мінімальний знос в умовах тертя ковзання по початково закріпленому абразиву, які відповідають триботехнічному принципу мінімізації абразивного зносу та зношувальної здатності. Шляхом аналізу математичних моделей визначено новий склад наповнювача стрічкового реліту, у разі наплавлення яким найбільшою мірою забезпечуються триботехнічні властивості матеріалу для бокової поверхні замкових з’єднань. За результатами структурних досліджень показано, що поліпшення триботехнічних властивостей композиту досягається за рахунок підвищення міцності зерен реліту та їх концентрації, а також твердості матриці та її здатності до деформаційного зміцнення.
10. На Дрогобицькому долотному заводі впроваджено в серійне виробництво замки з армованою боковою поверхнею для бурильних труб. За рекомендацією автора (ТУ39-1377-89) армування замків виконується стрічковим релітом за ТУ ИЭС 677-88. Економічний ефект від упровадження армованих замків становив 144,84 крб (у цінах 1990 р.) на один комплект. За період 1989-1990 рр. виготовлено 16 тисяч комплектів армованих замків з економічним ефектом, що передбачається, 2,31 млн. крб (у цінах 1990 р.).
11. Проведено приймальні випробування дослідної партії замків, армованих стрічковим релітом з наповнювачем нового складу, розробленим автором (а.с. 169063 СССР МКИ В23К35.36). Результати випробувань показали, що швидкість зношування таких замків у 1,4-1,6 разу нижча ніж замків, армованих стрічковим релітом за ТУ ИЭС 677-88, який за рекомендацією автора застосовується у серійному виробництві замків на Дрогобицькому долотному заводі, і в 1,8 разу нижча ніж замків, армованих матеріалом WOKA (Італія). За результатами приймальних випробувань замки, армовані стрічковим релітом із наповнювачем нового складу, рекомендовані для постановки на серійне виробництво замість замків, армованих стрічковим релітом ТУ ИЭС 677-88.
12. Проведено експериментальну оцінку універсальності реолого-кінетичної концепції абразивної зносостійкості, яка показала її застосовність до інших видів абразивного зношування, зокрема, зношування об шорсткість твердої поверхні, фретинг-корозії, гідро- і газоабразивного зношування, а також інших класів триботехнічних матеріалів, зокрема, евтектичних композитів. Це дозволило запропонувати нові ефективні моделі зносу при терті об шорсткість твердої поверхні і фретинг-корозії, а також рекомендувати евтектичний композит ТН для підвищення абразивної зносостійкості вузлів тертя машин.
13. Проведено експлуатаційні випробування деталей обладнання для ливарного виробництва (робоче колесо та вихідний патрубок шламового насоса, турбіна дробометального барабана) з евтектичним композитом ТН. Результати випробувань показали, що швидкість зношування наплавлених деталей в 1,3-2,85 разу нижче ніж базових, що дало підстави рекомендувати композит ТН для застосування у промисловому виробництві.