Трибофатика (MjnQksgmntg)

Перейти к навигации Перейти к поиску
Основные эффекты в трибофатике: ПЭ — прямой эффект; ОЭ — обратный эффект; Λσ\τ — эффект Λ-взаимодействий (условно показаны стрелками) повреждений, обусловленных напряжениями (σ, τw) разных типов (шестигранник — логос трибофатики)

Трибофатика (от греч. tribo — «трение» и фр. fatigue — «усталость») — раздел механики, в котором изучают износоусталостные повреждения (ИУП) и разрушение трибофатических систем[1][2][3][4]. Трибофатика создана на стыке трибологии и механики усталостного повреждения и разрушения материалов и элементов конструкций.

Основоположником трибофатики является доктор технических наук, профессор Леонид Сосновский[5][6][7].

Объекты для изучения

[править | править код]

Трибофатической называют всякую механическую систему, в которой реализуется процесс трения в любых его проявлениях (при качении, скольжении, проскальзывании, ударе, эрозии и др.) и которая одновременно воспринимает и транзитно передает объемную повторно-переменную (в частности циклическую) нагрузку[8]. Как правило, это изделия ответственного назначения. Так, в системе колесо/рельс обнаруживается трение при качении, скольжении, проскальзывании, а один из её элементов — рельс дополнительно подвергается изгибу, растяжению-сжатию, кручению. Поэтому её работоспособность определяется комплексным ИУП — контактно-механической усталостью. В системе коленчатый вал/шатунная головка реализуется трение скольжения, а шейка вала одновременно подвергается изгибу с кручением. Следовательно, её работоспособность определяется комплексным ИУП — фрикционно-механической усталостью. В многообразных соединениях типа вал/втулка имеет место трение при проскальзывании (фреттинг), а вал дополнительно подвергается изгибу с вращением. И её работоспособность определяется комплексным ИУП — фреттинг-усталостью. Если изучать систему труба/поток жидкости (нефти), то в ней реализуется гидродинамическое трение, а труба одновременно нагружена повторно-переменным внутренним давлением. Поэтому её работоспособность определяется комплексным ИУП — коррозионно-механической (или коррозионно-эрозионной) усталостью. Аналогично для труб первого контура АЭС характерна радиационно-механическая усталость.

Схема, поясняющая основные особенности Λ-взаимодействий при прямом эффекте (p0 — наибольшее напряжение на контактной площадке при качении; τw — фрикционное напряжение при скольжении; q — контактное давление в зоне фреттинга)

Таким образом, по существу, трибофатическая система — это любая пара трения, хотя бы один из элементов которой дополнительно и одновременно нагружен объемной (внеконтактной) нагрузкой. Практически в каждой современной машине (автомобиле, самолёте, станке и др.) найдется хотя бы одна трибофатическая система, которая, как правило, является тяжелонагруженной, и она в существенной степени определяет эксплуатационную надежность изделия. Отсюда следует, что большая технико-экономическая значимость для современной техники проблем трения и изнашивания (изучаемых в трибологии), с одной стороны, и проблем усталостного повреждения и разрушения (изучаемых в механике усталости материалов), с другой стороны, многократно возрастает, когда частные повреждающие явления (усталость, трение и износ) реализуются одновременно и совместно в виде комплексных ИУП (изучаемых в трибофатике).

Основное содержание

[править | править код]

Прямой эффект: влияние процессов и условий трения и изнашивания на изменение характеристик сопротивления усталости трибофатической системы и/или её элементов. Экспериментально установлено[4], что трение и износ могут как резко снижать (в 3-7 и более раз), так и существенно (на 30-40 %) повышать предел выносливости σ−1 элементов конструкций.

Обратный эффект: влияние повторно-переменных напряжений на изменение характеристик трения и изнашивания трибофатической системы и/или её элементов. Экспериментально установлено[4], что циклические напряжения от объемной нагрузки, возбуждаемые в зоне контакта, способны в зависимости от условий либо снизить, либо повысить износостойкость пары трения (на 10-60 % и более).

Эффект Λ-взаимодействий повреждений (функция Λσ\τ) обусловлен нормальными напряжениями (индекс σ) от внеконтактных объемных нагрузок (усталость) и фрикционными напряжениями (индекс τw) (трение и износ). Согласно этому эффекту, повреждения от различных (контактных и объемных) нагрузок не суммируются, а диалектически взаимодействуют[1][2][3].

Сравнение методологий научных дисциплин
Дисциплина Объект для изучения Основные методы исследования Основные задачи
экспериментальные теоретические
Трибофатика Трибофатическая система Износоусталостные испытания Механика износоусталостного повреждения и разрушения Оптимальное управление процессами комплексного ИУП трибофатических систем с целью снижения затрат труда, средств и материалов в сферах их производства и эксплуатации
Трибология Пара трения Испытания на трение Механика контактного взаимодействия Борьба с износом (вплоть до безызносного трения) и предотвращение заедания пары трения
Усталость Элемент конструкции (образец) Испытания на усталость Механика деформируемого твердого тела Снижение скорости накопления повреждений и предотвращение усталостных поломок элементов конструкций

Расчет трибофатических систем

[править | править код]

В трибофатике сформулированы принципы и разработаны методы[4][9] расчета трибофатических систем на прочность, износостойкость, надежность, долговечность с учётом риска (безопасности) эксплуатации[10].

Методы расчета и проектирования трибофатических систем

Система проектирования по критериям трибофатики (TF) позволяет ставить и решать задачи:

  • определение необходимого диаметра вала с учетом прямого эффекта,
  • определение необходимой площади контакта элементов системы с учетом обратного эффекта,
  • выбор материалов для обоих элементов системы,
  • установление требований к значению коэффициента трения,
  • расчет долговечности системы и ее элементов,
  • оценка надежности системы в заданных условиях эксплуатации,
  • расчет факторов риска и показателей безопасной работы системы.

На рисунке представлен сравнительный анализ методов расчета силовых систем по критериям трибофатики (параметры с индексом TF), по критериям механической усталости (параметры с индексом F), а также по трибологическому параметру – коэффициенту трения. На всех графиках горизонтальный пунктир означает, что при расчетах по отдельным критериям либо механической усталости, либо трибологии искомые параметры принимаются как единичные. Криволинейные пунктиры описывают прямой либо обратный эффекты при условии, что функция взаимодействия повреждений Λσ/τ=1. Остальные (сплошные) линии характеризуют указанные эффекты с учетом различных условий взаимодействия повреждений: при Λσ/τ>1 преимущественно реализуются процессы разупрочнения, при Λσ/τ<1 преимущественно реализуются процессы упрочнения.

Например, при определении требуемого поперечного сечения вала его диаметр dF, принятый по известной методике расчета на механическую усталость, будем считать равным единице: dF=1. Если вал является элементом силовой системы, то учет влияния процессов трения и изнашивания, обобщенно характеризуемых относительной величиной фрикционных напряжений τW2/τf2, приводит к тому, что для обеспечения его прочностной надежности значение dTF может быть либо существенно меньше (например, 0,9dF), либо существенно больше (например, 1,3dF) величины dF; это зависит от соотношения реализуемых процессов упрочнения-разупрочнения (Λσ/τ>1 либо Λσ/τ<1).

Анализ других графиков приводит к аналогичным заключениям при выборе требуемых площади контакта, свойств материала, коэффициента трения.

Это значит, что в трибофатике уходят от традиционного расчета отдельных деталей и переходят к расчету и конструированию механических систем[5].

Испытательные машины

[править | править код]
Испытательная машина СИ-03Мо
Схема машины и формирование методов износоусталостных испытаний (ИУС — информационно-управляющая система)

В рамках трибофатики разработаны и стандартизованы методы износоусталостных испытаний. С использованием разработанных методов и на базе ряда изобретений создан новый класс испытательного оборудования — машины серии СИ/SZ для износоусталостных испытаний материалов, моделей пар трения и трибофатических систем. Главной особенностью таких машин является использование унифицированных типоразмеров объектов испытаний. Это обеспечивает корректное сравнение результатов испытаний, проведенных в различных условиях.

Технические характеристики машин серии СИ/SZ регламентируются требованиями межгосударственного стандарта ГОСТ 30755-2001 «Трибофатика. Машины для износоусталостных испытаний. Общие технические требования»[11]. Основные методы испытаний стандартизованы.

Трибофатика для производства

[править | править код]

Выполнен ряд комплексных проектов в интересах производства. Среди них:

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ 1 2 Сосновский, Л. А. Основы трибофатики : учеб. пособие : [доп. Мин-вом образования Респ. Беларусь в качестве учебного пособия для студентов технических высших учебных заведений] / Л. А. Сосновский. – Гомель : БелГУТ, 2003. – Т. 1. – 246 с.; Т. 2. – 234 с.
  2. ↑ 1 2 Sosnovskiy, L. A. Tribo-Fatigue. Wear-Fatigue Damage and its Prediction / L. A. Sosnovskiy // Series : Foundations of Engineering Mechanics, Springer, 2005. — 424 p.
  3. ↑ 1 2 摩擦疲劳学 磨损 — 疲劳损伤及其预测. L. A. 索斯洛夫斯基著, 高万振译 — 中国矿业大学出版社, 2013. — 324 p.
  4. ↑ 1 2 3 4 Сосновский, Л. А. Механика износоусталостного повреждения / Л. А. Сосновский. — Гомель : БелГУТ, 2007. — 434 с.
  5. ↑ 1 2 Высоцкий, М. С. Новое слово в механике / М. С. Высоцкий // Наука и инновации. – 2010. – № 9 (91). – С. 17–19.
  6. ↑ Витязь, П. А. Ученый-механик Леонид Адамович Сосновский (к научной биографии) / П. А. Витязь, М. С. Высоцкий, В. А. Жмайлик // Тр. VI Международного симпозиума по трибофатике (ISTF 2010), 25 окт. – 1 нояб. 2010 г., Минск (Беларусь) / редкол. : М. А. Журавков (пред.) [и др]. – Минск : БГУ, 2010. – Т. 1. – С. 55–64.
  7. ↑ Журавков, М. А. Личность. Ученый. Поэт / М. А. Журавков // Личность. Ученый. Поэт / под общ. ред. В. И. Сенько. — Гомель : БелГУТ, 2015. — C. 8-19.
  8. ↑ Щербаков, С. С. Механика трибофатических систем / С. С. Щербаков, Л. А. Сосновский. — Минск : БГУ, 2011. — 407 с.
  9. ↑ Сосновский, Л. А. Фундаментальные и прикладные задачи трибофатики : курс лекций / Л. А. Сосновский, М. А. Журавков, С. С. Щербаков. — Минск : БГУ, 2011. — 488 с.
  10. ↑ Сосновский, Л. А. L-Риск (механотермодинамика необратимых повреждений) / Л. А. Сосновский. — Гомель : БелГУТ, 2004. — 317 с
  11. ↑ Трибофатика. Машины для износоусталостных испытаний. Общие технические требования (Межгосударственный стандарт) : ГОСТ 30755-2001. — Введ. 01.07.2002. — Мн. : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации : Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 2002. — 8 с.
  12. ↑ 1 2 3 Сосновский, Л. А. Чугун и сталь в трибофатических системах современных машин и оборудования / Л. А. Сосновский, П. А. Витязь, В. А. Гапанович, Н. В. Псырков, Н. А. Махутов // Механика машин, механизмов и материалов. – 2014. – № 4 (29). – С. 5–20.
  13. ↑ Новиков, А. А. Механические и эксплуатационные свойства чугуна марки ВЧТГ / А. А. Новиков, П. С. Дробышевский, С. А. Тюрин, Д. С. Чумак // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П. О. Сухого. – 2018. – № 1 (72). – С. 61–69.
  14. ↑ Новиков, А. А. Ножи для режуще-измельчающих аппаратов кормоуборочных комбайнов (расчет, материал, технология изготовления, результаты испытаний и аттестации в МИС) / А. А. Новиков, П. С. Дробышевский, В. С. Голубев, В. В. Комиссаров // Актуальные вопросы машиноведения : сб. науч. тр. – Вып. 6. – Минск : ОИМ НАНБ, 2017. – С. 231–236.
  15. ↑ Новиков, А. А. Оценка стойкости ножей питающе-измельчающих аппаратов сельскохозяйственных комбайнов: теория, стендовые и полевые испытания / А. А. Новиков, В. В. Комиссаров, В. О. Замятнин, П. С. Дробышевский, С. С. Щербаков, Л. А. Сосновский // Вестник БелГУТа : Наука и транспорт. – 2016. –№ 1 (32). – С. 201–208.
  16. ↑ Способ сравнительной оценки износостойкости испытуемых ножей для питающе-измельчающего аппарата сельскохозяйственного комбайна : пат. 21970 Респ. Беларусь, МПК G 01N3/58/ Л. А. Сосновский, Н. В. Псырков, С. Г. Волченко, В. О. Замятнин, В. В. Комиссаров, Д. С. Чумак; заявители ОАО «Гомсельмаш», ООО «НПО ТРИБОФАТИКА». –№ а20140422; заявл. 14.08.2014; опубл. 27.02.2018. – 2018. – 5 с.
  17. ↑ Сосновский, С. В. Методы и результаты экспериментальных исследований линейного участка нефтепровода как трибофатической системы / С. В. Сосновский, А. М. Бордовский, А. Н. Козик, В. В. Воробьев // Тр. VI Международного симпозиума по трибофатике (ISTF 2010), 25 окт. – 1 нояб. 2010 г., Минск (Беларусь) / редкол. : М. А. Журавков (пред.) [и др]. – Минск : БГУ, 2010. – Т. 1. – С. 351–360.
  18. ↑ Сосновский, Л. А. О мультидисциплинарном подходе к анализу и прогнозированию эксплуатационной повреждаемости и ресурса линейных участков нефтепровода с позиций трибофатики / Л. А. Сосновский, Ю. В. Лисин, А. Н. Козик // Механика машин, механизмов и материалов. – 2017. – № 3 (40). – С. 75–84.
  19. ↑ Бордовский, А. М. Анализ случайного процесса нагруженности нефтепровода / А. М. Бордовский, В. В. Воробьев // Механика-99 : материалы II Белорусского конгресса по теоретической и прикладной механике, Минск, 28–30 июня 1999 г. – Гомель : ИММС НАНБ, 1999. – С. 271–273.
  20. ↑ Bordovsky, A. M. Method of Accelerated Statistical Fatigue Tests of Plates / A. M. Bordovsky, V. V. Vorobyev // Proc. of the III International Symposium on Tribo-Fatigue (ISTF 2000), Beijing, China, Oct. 22–26, 2000. – Beijing : Hunan University Press, 2000. – P. 204–207.
  21. ↑ Bordovsky, A. M. Assessment of Reliability of Oil Pipeline Linear / A. M. Bordovsky, V. V. Vorobyev // Proc. of the III International Symposium on Tribo-Fatigue (ISTF 2000), Beijing, China, Oct. 22–26, 2000. – Beijing : Hunan University Press, 2000. – P. 380–381.
  22. ↑ Козик, А. Н. Влияние коррозионных повреждений на несущую способность нефтепроводных труб / А. Н. Козик, В. В. Воробьев // Механика машин, механизмов и материалов. – 2011. – №2 (15). – С. 90-94.
  23. ↑ Козик, А. Н. Испытания нефтепроводных труб внутренним давлением / А. Н. Козик // Вестник Полоцкого государственного университета. –2011. –№ 8. –С.110-114.
  24. ↑ Устройство для испытаний материала на коррозионно-эрозионную усталость : пат. 9573 Респ. Беларусь, МПК G 01N3/56, G 01N17/00 / А. А. Костюченко, А. М. Бордовский, В. В. Воробьев, В. О. Замятнин, Л. А. Сосновский ; заявители РУП «Гомельтранснефть Дружба», ООО «НПО ТРИБОФАТИКА». – № а20050020 ; заявл. 10.01.2005 ; опубл. 30.08.2007. – 2007. – 6 с.
  25. ↑ Костюченко, А. А. Коррозионно-механическая прочность подводных участков нефтепроводов / А. А. Костюченко / науч. ред. Л. А. Сосновский. – Гомель : БелГУТ, 2008. – 47 с.
  26. ↑ Трубы нефтепроводные. Метод испытания внутренним давлением до разрушения (Стандарт Беларуси) : СТБ 2162–2011. – Введ. 01.07.2011. – Мн. : ГОССТАНДАРТ, 2011. – 34 с.
  27. ↑ Трубы нефтепроводные. Методы испытания трубной стали на трещиностойкость (Стандарт Беларуси) : СТБ 2502–2017. – Введ. 01.10.2017. – Мн. : ГОССТАНДАРТ, 2017. – 29 с.
  28. ↑ Sherbakov, S. S. The Cross-disciplinary Approach to Analysis and Forecast of Operational Damage Tolerance of the Oil Pipeline System – Part 1 / S. S. Sherbakov // Pipeline Science and Technology. – 2019. – Vol. 3. – № 2. – P. 134–148.
  29. ↑ Sherbakov, S. S. The Cross-disciplinary Approach to Analysis and Forecast of Operational Damage Tolerance of the Oil Pipeline System – Part 2 / S. S. Sherbakov // Pipeline Science and Technology. – 2020. – Vol. 4. – № 1 (3). – P. 62–73.
  30. ↑ Proceedings of the 7th International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail / Wheel Systems (Brisbane, Australia, Sept. 24–27, 2006). – Brisbane, 2006.
  31. ↑ Proceedings of World Tribology Congress V: Turin, Italy, September 8–13, 2013. – Turin, 2013.
  32. ↑ Устройство и содержание пути и подвижного состава при тяжеловесном и скоростном движении поездов «колесо – рельс» : сб. тр. науч.-практ. конф., Москва, ВНИИЖТ, 28–29 окт. 2008 г. – М. : ВНИИЖТ, 2008.
  33. ↑ 1 2 Высокопрочный чугун с шаровидным графитом и высоким сопротивлением усталости. Марки и механические свойства (Стандарт Беларуси) : СТБ 2544–2019. – Введ. 01.10.2019. – Мн. : ГОССТАНДАРТ, 2019. – 7 с.
  34. ↑ Псырков, Н. В. Специальный высокопрочный чугун с шаровидным графитом как новый конструкционный материал / Н. В. Псырков // Механика машин, механизмов и материалов. – 2012. – № 3 (20) – 4 (21). – С. 213–218.
  35. ↑ Сосновский, Л. А. Трибофатическая система колесо / рельс для тяжеловестного движения: повышение нагрузок и… снижение затрат? / Л. А. Сосновский, В. А. Гапанович, В. И. Сенько, В. И. Матвецов, С. С. Щербаков, В. В. Комиссаров // Вестник БелГУТа : Наука и транспорт. – 2016. –№ 1 (32). – С. 219–226.
  36. ↑ Щербаков, С. С. Напряженно-деформированное состояние и объемная повреждаемость в окрестности контактного взаимодействия в трибофатической системе колесо / рельс с учетом неконтактного деформирования рельса / С. С. Щербаков, О. А. Насань // Вестник БелГУТа : Наука и транспорт. – 2016. – № 1 (32). – С. 234–247.
  37. ↑ Hampton, R. D. «Rail corrugation – experience of US transit properties» // R. D. Hampton // Transp. Res. Rec. – 1986. – № 1071. – P. 16–18.
  38. ↑ Тюрин, С. А. Экспериментальное исследование остаточных волнообразных повреждений при инициированном начальном искажении формы образца / С. А. Тюрин, С. С. Щербаков // Вестник БелГУТа : Наука и транспорт. – 2005. – № 2. – С. 88–93.
  39. ↑ Способ испытания материала зубчатого колеса на контактную и изгибную усталость : пат. 9247 Респ. Беларусь, МПК G 01М13/02 / В. А. Жмайлик, В. А. Андрияшин, Л. А. Сосновский, А. М. Захарик, Ал. М. Захарик, В. В. Комиссаров, С. С. Щербаков ; заявители ПО «Гомсельмаш», ОИМ НАН Б. – № а20040781 ; заявл. 19.08.2004 ; опубл. 30.04.2007. – 2007. – 6 с.
  40. ↑ Sosnovskiy, L. A. Contact and Bending Fatigue of Toothed Gearings / L. A. Sosnovskiy, V. A. Zhmailik, S. S. Shcharbakou, V. V. Komissarov // Proc. of World Tribology Congress III: Washington, D.C. USA, September 12–16, 2005. – Washington, 2005.
  41. ↑ Жмайлик, В. А. Экспериментальное исследование сопротивления усталости, качества и риска применения материалов для зубчатых колес / В. А. Жмайлик // Вестник Брестского государственного технического университета. – 2001. – № 4. – С. 15–17.
  42. ↑ Захарик, А. М. Комплексный подход к оценке прочностной надежности зубчатых зацеплений / А. М. Захарик, А. М. Гоман, В. В. Комиссаров // Наука и инновации. – 2010. – № 9 (91). – С. 20–23.
  43. ↑ Жмайлик, В. А. Расчетно-экспериментальный метод оценки прочностной надежности шестерен главной пары ведущего моста МАЗ-5440 / В. А. Жмайлик, А. М. Захарик, Ал. М. Захарик, А. М. Гоман, Ю. Л. Солитерман, В. В. Комиссаров, Л. А. Сосновский // Вестник БелГУТа : Наука и транспорт. – 2008. – № 1 (16). – С. 72–80.

Литература

[править | править код]
  • Трибофатика. Термины и определения (Межгосударственный стандарт) : ГОСТ 30638-99. — Введ. 17.06.1999. — Мн. : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации : Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 1999. — 17 с.
  • Трибофатика // Большой белорусский энциклопедический словарь / ред. коллегия : Т. В. Белова (гл. ред.) и др. – Минск : Беларус. энцыкл. iмя П. Броукi, 2011. – С. 354.
  • Трыбафатыка // Беларуская энцыклапедыя. – Минск : Беларуская энцыклапедыя, 2002. – Т. 15. – С. 542.

Ссылки

[править | править код]
Источник — https://ru.wikipedia.org/wiki/Трибофатика