WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 27 | 28 || 30 | 31 |   ...   | 42 |

дu =75 кДж/моль; Т=300К; g 0.

Таблица 4.Сопоставление расчетной и экспериментальной скорости изнашивания бронзы БрАЖН 10-4-4 при наложенной вибрации Динамический Скорость изнашивания J, мкм/час h коэффициент, µ Эксперимент Расчет 1 (без вибрации) 9,12,3 ± 1,5 15,15,9 ± 2 24,23,5 ± Как видно из таблицы, расчетные данные удовлетворительно соответствуют экспериментальным результатам.

4.1.6. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ В ПАРЕ С ГИЛЬЗОЙ ЦИЛИНДРОВ ПРИ ТРЕНИИ С НАЛОЖЕННОЙ ВИБРАЦИЕЙ Кинетика развития усталости в поверхностных слоях при трении изучалась также на примере пары цилиндро-поршневой группы автомобилей ВАЗ «поршневое кольцо – гильза цилиндров».

В ходе испытаний определяли: величину линейного износа h, микротвердость Hµ и энергию активации пластической деформации поверхностного слоя u (в указанной паре измерения проводились только для хромированных стальных поршневых колец). Изучалась кинетика изменения механических и активационных характеристик в течение одного цикла изнашивания образцов. Для этого использовалась методика испытаний, аналогичная описанной в предыдущем разделе.

Поскольку действующие в реальных двигателях нагрузки в паре трения «кольцо – цилиндр» невелики и составляют 100…150 кПа, то в целях ускорения эксперимента испытания проводились по интенсивной программе, при нагрузках 1 МПа. На нормальную статическую нагрузку накладывалась вибрация с динамическим коэффициентом n=1,2, что соответствует значениям вибрации, действующим в ЦПГ легковых автомобилей. Испытания проводились при комнатной температуре. Износ образца, микротвердость и энергию активации оценивали через каждые 30 мин наработки.

Для проведения испытаний использовалась Стенд ВИ-1 созданный в ходе выполнения работ по Программе (фото 1) служит для испытаний материалов на изнашивание при возвратно-поступательном движении с наложенной нормальной гармонической вибрацией. специальная каретка, в которую зажимались сегменты поршневых колец длиной 30 мм. В качестве нижних (подвижных) использовали образцы, вырезанные из гильзы цилиндров. В рабочем положении сегменты колец закрепляются по краям каретки прижимными пластинами в двух специальных пазах.

При испытаниях рабочая поверхность поршневых колец располагается в лунке, имитирующей участок зеркала гильзы, и под статической и динамической нагрузками совершает относительные возвратно-поступательные перемещения. Таким образом, образуется две трущиеся пары образцов (условно обозначены буквами А и Б).

Усредненные данные экспериментальных результатов, полученных в пределах одного кинетического цикла изнашивания для образцов А и Б, представлены на рис. 4.12.

2,1,0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Время наработки, ч Рис. 4.12. Кинетика развития усталости колец при изнашивании:

А, Б – испытываемые участки Из полученных результатов видно, что кинетический цикл изнашивания имеет латентную (скрытую) фазу накопления повреждаемости, при которой происходит развитие усталостных процессов – накопление дефектов, что отражается растущей линией на кривой изменения энергии активации пластической деформации.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА КОНТАКТНОЙ УСТАЛОСТИ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЦИКЛИЧЕСКИХ УДАРНЫХ НАГРУЗОК кДж/моль Энергия активации, Линейный износ, h [мкм] кгс/ммМикротвердость, Высокие динамические нагрузки характерны для большинства современных тяжелонагруженных узлов трения, поэтому исследование кинетики повреждаемости конструкционных материалов под действием циклических ударных нагрузок представляет большой научный интерес. Для этого необходимы экспериментальное и теоретическое изучение закономерностей усталостной повреждаемости материалов, на основе которых возможна математическая формализация кинетики их разрушения в виде конкретных расчетных моделей.

К изделиям, работающим в наиболее выраженных неблагоприятных условиях – при высоких статических и динамических нагрузках, в коррозионно-активных и абразивных средах, – относятся шарошечные буровые долота, подавляющее число отказов которых связано с усталостным разрушением твердосплавного вооружения – породоразрушающих зубков. В данном разделе представлены результаты исследований нескольких партий твердосплавных зубков, выпускаемых ОАО «Волгабурмаш», с целью анализа кинетики накопления повреждаемости в них при циклических ударных нагрузках, идентификации параметров кинетической модели повреждаемости поверхностных слоев и разработки на ее основе экспериментально-расчетной методики ускоренных испытаний зубков буровых долот. Объектами исследования являются зубки шарошечных буровых долот различных типоразмеров из двух марок твердых сплавов – ВК-10 и ВК-15. Испытания проводились в исследовательской лаборатории ОАО «Волгабурмаш» совместно с сотрудниками НТЦ «Надежность» СамГТУ.

4.2.1. СТЕНД И МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЗУБКОВ НА УДАРНУЮ СТОЙКОСТЬ Кинетику усталостной повреждаемости и разрушения твердосплавных зубков буровых долот при циклическом ударном нагружении изучали на специализированном стенде №7870-1002 для динамических испытаний зубков на ударную стойкость (рис. 4.13) [33, 79, 117, 175]. Стенд оснащен автоматизированной системой сбора данных, позволяющей в режиме реального времени выполнять мониторинг нормальных и касательных нагрузок при циклических ударах, числа ударов, температуры и давления в гидросистеме, и сохранять полученные экспериментальные данные в памяти компьютера.



При помощи стенда можно реализовать несколько видов испытаний зубков: 1) на циклическую ударную стойкость; 2) на износостойкость; 3) на стойкость к удару с проскальзыванием. Производственные испытания проводят преимущественно по первой схеме, поскольку наиболее критичным видом повреждаемости твердосплавного вооружения долот является хрупкое разрушение при ударах.

Для проведения испытаний зубков на ударную стойкость делается выборка (до 10 образцов) из принятой ОТК новой партии изготовленных зубков. Зубки из данной выборки один за другим испытываются на стенде. Для этого испытываемый зубок запрессовывается в оправку 7, которая привинчивается к штоку силового гидроцилиндра 6, являющегося приводом ударноРис. 4.13. Схема установки ОАО «Волгабурмаш» го механизма. Включаются гиддля испытаний твердосплавных зубков буровых долот на ударную стойкость (предоставлена ронасос 8 и электродвигатель Нассифом С.Н.). Основные элементы стенда: 1 – основание; 2 – стойки; 3 – плита; 4 – постоянного тока 9, задающий испытываемый зубок; 5 – перекладина; 6 – посредством гидрораспределисиловой гидроцилиндр; 7 – оправка; 8 – гидронасос; 9 – электродвигатель; 10 – теля 10 частоту переключения гидрораспределитель; 11 – гидравлических потоков, вынупневмогидроаккумуляторы; 12 – регулируемый перепускной клапан; 13, ждающих шток гидроцилиндра – манометры совершать вертикальные возвратно-поступательные движения. При этом вершина зубка начинает циклически долбить стальную плиту 3. Сила удара задается при помощи перепускного клапана 12, который управляет давлением в гидросистеме. Контроль давления ведется по манометрам 13 и 14. Пневмогидроаккумуляторы 11 используются для демпфирования пульсаций в гидросистеме. После каждого удара плита 3 перемещается в горизонтальной плоскости на 1 шаг в сторону необработанной поверхности. Величина шага перемещения плиты задается дросселями. Количество произведенных ударов фиксируется счетчиком. Критерием ударной стойкости зубков является число циклов до их разрушения, при этом качество зубков считают приемлемым, если они выдерживают без образования усталостных трещин не менее 4000 циклов наработки. Данный критерий был установлен эмпирическим путем по результатам многолетних испытаний твердосплавного вооружения буровых долот в производственных и эксплуатационных условиях.

4.2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ПРИ КОНТАКТНОЙ УСТАЛОСТИ Анализ изломов большого числа разрушенных при ударных испытаниях зубков показал, что независимо от марок сплавов, размеров и формы зубков очаг разрушения локализуется в области их вершины, идущей от поверхности на глубину около 1…2 мм. Зона сосредоточенных пластических деформаций на сколе вершины зубка показана на рис. 4.14. Эксперименты показали, что усталостное выкрашивание вершины приводит к быстрому Рис. 4.14. Локализация диссипативной системы в образованию осевой магистральной тревершине разрушенного щины и разрушению всего зубка. Таким зубка (предоставлено образом, контактная выносливость тонкоНассифом С.Н.) го поверхностного слоя на вершине зубка лимитирует долговечность самого зубка.

По этой причине исследование кинетики усталостной повреждаемости зубков проводилось именно на поверхности их вершин.

В процессе циклических испытаний оценивали микротвердость, энергию активации пластической деформации, структурно-чувствительный коэффициент и среднюю за цикл относительную пластическую деформацию зубков. Методики оценки данных параметров и исследования кинетики их изменения аналогичны описанным в предыдущем разделе.

Периодичность оценки состояния материала на вершине испытываемых зубков составляла 2 минуты, т. е. через каждые 500 циклов наработки (ударов). Поскольку длительность удара весьма мала, эффекты саморазогрева зубков при ударах о плиту и влияние изменения микрогеометрии поверхности плиты на характеристики её контактного взаимодействия с вершиной зубка не учитывались.

Неупругую деформацию зубков оценивали при помощи стандартного винтового микрометра с ценой деления 10 мкм. Относительную деформацию зубков оценивали по известной зависимости = l0 - l l, где l и l – высота зубка в исходном состоянии и после наработки на стенде соответственно. На основании оценки средней деформации зубка получаем среднюю деформацию за цикл испытаний = Nц.

ц Эксперименты показали, что с учетом неоднородности и большого разброса свойств твердых сплавов для получения необходимой точности оценки микротвердости и энергии активации пластической деформации необходимо нанести 15 наколов и 6 царапин соответственно. При этом погрешность получаемых оценок не превышает Рд 5…10% при доверительной вероятности =0,95.

Результаты экспериментальных исследований кинетики изменения энергии активации пластической деформации, микротвердости, высоты и структурно-чувствительного коэффициента зубков из твердого сплава ВК-10 (типоразмер R4704) представлены на рис. 4.15-4.18. Испытания проводили при давлении в гидросистеме, равном 18…20 атм. Результаты аналогичных исследований, выполненных с клиновидными зубками из твердого сплава ВК-16 (типоразмер R0073), представлены на рис. 4.19-4.22. Циклические испытания проходили при давлении в гидросистеме 23…24 атм.

Проведенное исследование кинетики повреждаемости твердосплавных зубков показало, что их разрушению всегда предшествует постепенный рост энергии активации пластической деформации (запасенной энергии пластической деформации), отражающий кинетику накопления дефектов кристаллической решетки. Как правило, наблюдается близкий к линейному рост энергии активации, что позволяет использовать для описания кинетики повреждаемости твердых сплавов известную гипотезу о линейном накоплении повреждаемости. Отклонение экспериментальных данных от линейной зависимости не превышает 15…20%, что можно считать приемлемым, учитывая характерный для твердых сплавов большой разброс свойств.





Проведенные исследования позволили установить, что кинетику повреждаемости и разрушения твердых сплавов определяет совокупность трех основных показателей: характерных значений энергии активации пластической деформации твердых сплавов – начального, соответствующего материалу до начала испытаний, и критического, которое материал имеет в состоянии предразрушения, а также скорости роста запасенной энергии пластической деформации. Эти три показателя необходимы и достаточны для оценки долговечности (числа циклов до разрушения) зубков. Для начальных значений энергии активации пластической деформации испытанных материалов свойственно следующее: 1) они всегда ниже критических; 2) они могут иметь достаточно большой разброс (более 20%); 3) начальные значения энергии активации характеризуют только исходное состояние материалов, и они в общем случае не коррелируют с циклической долговечностью зубков (хотя при равных скоростях усталостной повреждаемости часто более долговечными являются материалы с меньшим исходным значением энергии активации); 4) экспериментально установленные начальные значения энергии активации для сплавов ВК-10 и ВК-16 соответственно составляют 72…102 кДж/моль и 60… 90 кДж/моль.

При достижении в деформируемом материале критического уровня запасенной энергии – энергии активации разрушения – происходит хрупкое разрушение твердосплавных зубков. Экспериментально установленные значения энергии активации разрушения составляют: для сплава ВК-10 250 кДж/моль, для сплава ВК-16 – около 230 кДж/моль.

Рис. 4.15. Зависимость энергии Рис. 4.16. Зависимость микротвердоактивации пластической деформации сти зубков R4704 из твердого сплава от числа циклов наработки на стенде для ВК-10 от числа циклов наработки на ударных испытаний зубков R4704 стенде для ударных испытаний из твердого сплава ВК-10.

Точки – экспериментальные данные, линии – соответствующий расчет по теоретическим моделям Рис. 4.17. Изменение высоты зубков Рис. 4.18. Зависимость структурноR4704 из твердого сплава ВК-10 чувствительного коэффициента от числа циклов наработки на стенде зубков R4704 из твердого сплава для ударных испытаний ВК-10 от числа циклов наработки на стенде для ударных испытаний Рис. 4.19. Зависимость энергии Рис. 4.20. Зависимость микротвердоактивации пластической деформации сти зубков R0073 из твердого сплава от числа циклов наработки на стенде ВК-16 от числа циклов наработки на для ударных испытаний зубков R0073 стенде для ударных испытаний из твердого сплава ВК-16.

Точки – экспериментальные данные, линии – соответствующий расчет по теоретическим моделям Рис. 4.21. Изменение высоты зубков Рис. 4.22. Зависимость структурноR0073 из твердого сплава ВК-16 чувствительного коэффициента зубков от числа циклов наработки на стенде R0073 из твердого сплава ВК-для ударных испытаний от числа циклов наработки на стенде для ударных испытаний Скорость роста энергии активации пластической деформации индивидуальна для каждого зубка, и чем она выше, тем меньше долговечность зубков, и наоборот. Существенную разницу в скорости накопления энергии повреждаемости для зубков из одной партии можно объяснить изначально большим разбросом в них количества и формы концентраторов напряжений (микротрещин, пор, сегрегации и т. д.). Характер роста энергии активации пластической деформации на протяжении всего испытания близок к линейному, что позволяет рассматривать средний прирост запасенной энергии за удар как постоянную величину.

Несмотря на то, что твердые сплавы разрушаются как хрупкие материалы, при ударных нагрузках они проявляют способность к достаточно большим пластическим деформациям в зоне контакта, что проявляется уменьшением высоты зубков. Повышенную пластичность твердосплавных материалов при испытаниях можно объяснить высокими напряжениями гидростатического сжатия, локализующимися в области вершины зубков при ударе о стальную плиту. Причем на кривой «высота зубков – число циклов» можно выделить два характерных участка: первый (длительностью в 1…2 минуты), на протяжении которого наблюдается ускоренная деформация зубков; второй (длящийся до завершения испытаний) – характеризуется последующим замедленным ростом остаточной деформации. Некоторые зубки при испытаниях разрушаются, не достигая второй фазы, что может свидетельствовать о наличии в них большого количества металлургических дефектов. Применение таких зубков в производстве является недопустимым.

При испытаниях качественных зубков с увеличением наработки наблюдается почти полное прекращение роста их остаточной деформации, что свидетельствует о смене упругопластической деформации на упругую, при которой малоцикловая усталость переходит в многоцикловую.

В этих случаях ударная стойкость зубков резко повышается; по достижении 4800 циклов наработки их испытания на стенде прекращают.

Pages:     | 1 |   ...   | 27 | 28 || 30 | 31 |   ...   | 42 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.