Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.nau.edu.ua/handle/NAU/37723| Title: | Науково-технічні основи підвищення довговічності деталей авіаційних трибомеханічних систем за умов їх фретинг-контактної взаємодії |
| Authors: | Духота, Олександр Іванович |
| Keywords: | авіаційна техніка арибомеханічна система фретинг фретинг-корозія зносостійкість довговічність методи інженерії зносостійких поверхонь |
| Issue Date: | Feb-2019 |
| Abstract: | Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної проблеми – розробці науково-обґрунтованих підходів до забезпечення високого і прогнозованого рівня довговічності деталей авіаційних трибомеханічних систем, що працюють в умовах фретинг-контактної взаємодії, шляхом створення методів формування функціональних поверхонь і матеріалів з необхідними керованими властивостями та методів оцінювання і прогнозування фретинг-корозійної сумісності та зносостійкості елементів трибосистем. |
| Description: | Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.04 «Тертя та зношування в машинах» (13 – Механічна інженерія). – Національний авіаційний університет, Київ, 2019. На основі аналізу стану конструктивно-технологічного забезпечення зносостійкості деталей авіаційних трибомеханічних систем обґрунтовано актуальність досліджень, спрямованих на вирішення завдань підвищення довговічності деталей, що працюють в умовах фретинг-контактної взаємодії. Триботехнічні дослідження проводились за методикою, визначеною стандартом «Метод випробування матеріалів на зношування при фретингу і фретинг-корозії», та за спеціально розробленими методиками на оригінальних установках, що моделюють роботу трибоспряжень в умовах малих тангенціальних вібропереміщень та нормальному до контактної поверхні динамічному навантаженні. Якісні зміни поверхонь тертя, мікроструктуру, склад і властивості матеріалів досліджували методами оптичної та електронної растрової мікроскопії, мікродюрометрії, трибоспектральним методом, методами мікрорентгеноспектрального та рентгено-фазового аналізів, Оже-спектроскопії з використанням сучасного вітчизняного та закордонного устаткування. Математичне планування експериментів і обробка результатів експериментальних досліджень виконувались із застосуванням комп’ютерних технологій методами математичної статистики та математичного анализу. Визначено вплив природи матеріалів контактної пари, геометрії контакту і параметрів фретингу на закономірності перебігу процесів фретинг-корозійного зношування та статистичні характеристики величини зносу. Для трибосистем, втрата працездатності яких пов’язана з розклинюючою дією продуктів зношування, запропоновано критерій та розрахунково-аналітичний метод оцінювання фретинг-корозійної сумісності матеріалів. Встановлено, що незалежно від природи матеріалу і амплітудно-силового режиму фретингу, розподіл випадкових похибок величини зносу підпорядковується нормальному статистичному закону розподілу. Статистичні характеристики розсіювання величин зносу більш чутливі до амплітудно-силових параметрів фретингу, ніж до природи і фізико-механічних властивостей матеріалу і зростають їз збільшенням амплітуди фретингу та питомого контактного навантаження. За умови постійної амплітуди величина зносу зростає із збільшенням відношення амплітуди до розміру ділянки контакту у напрямку вібропереміщення. Одночасно збільшується дисперсія величини зносу. Для різних схем контакту визначені критичні значення амплітуд відносних переміщень поверхонь, вище яких інтенсивність зношуваня різко зростає. Встановлено, що місцеположення перехідної області від малих до високих значень інтенсивності зношування визначається умовами формування фізичного контакту елементів трибопари і відповідає області переходу від фрикційної взаємодії переважно через прошарок продуктів зношування до безпосередньої фрикційної взаємодії поєднаних в парі тертя матеріалів. Визначено закономірності та механізм зношування матеріалів при одночасній дії тангенціальних вібраційних мікропереміщень і нормальних до поверхні контакту динамічних навантажень. Встановлено, що інтенсивність зношування найбільш суттєво зростає при поєднанні фретингу з динамічним контактним навантаженням в режимі удару з проковзуванням. Взаємодія ударних деформаційних хвиль з хвилями деформації від тангенціальних вібропереміщень обумовлює більш інтенсивне накопичення в матеріалі дефектів структури і, як наслідок, пришвидшує розвиток процесу зношування за механізмом втомного руйнування. Визначено та теоретично обґрунтовано загальні принципи керування зносостійкістю елементів динамічно навантажених трибомеханічних систем, які ґрунтуються на енергетичній моделі трибологічних процесів та структурно-реологічних механізмах дисипації енергії у фрикційному контакті.З урахуванням специфіки фретинг-корозійного зношування розроблено алгоритм створення поверхнево-модифікованих шарів і захисних покриттів підвищеної зносостійкості. Визначено закономірності впливу технологічних параметрів формування і параметрів фретингу на фракційно-зносні властивості трибосистем з дискретно-текстурованими мастилоємними поверхнями у вигляді регулярно розташованих мікрозаглиблень. В умовах граничного тертя найбільший ефект з підвищення зносостійкості досягається за сферичного профілю мікрозаглиблень у парах, де мікрозаглиблення формувались на поверхні з більшою твердістю, ніж твердість поверхні контртіла. На основі аналізу перебігу трибологічних процесів на ділянках контакту в зоні окремого мікрозаглиблення, розроблено модель розвитку фретинг-корозійного зношування трибосистем з дискретно-текстурованою поверхнею за умов граничного тертя. Для різного класу захисних покриттів, сформованих методами електроіскрового легування, газотермічного напилювання та комбінованими методами за участю додаткового лазерного оброблення, встановлено закономірності, що визначають взаємозв’язки складу вихідного матеріалу, технологічних режимів та схем формування, структурно-фазового складу покриття і параметрів фретингу на триботехнічні характеристики та кількісні показники зносостійкості покриттів порівняно із конструкційними металічними сплавами. Експерементально доведено, що для поверхневого зміцнення титанових сплавів методом електроіскрового легування перспективними електродними матеріалами є композиційні керамічні матеріали на основі ZrB2. Факторами, що сприяють досягненню високої зносостійкості електроіскрових ZrB2 – вмісних покриттів є їх здатність до формування дискретно-глобулярної структури поверхні підвищеної твердості та утворення в зоні трибоконтакту в результаті трибоокиснення нанорозмірних захисних поліоксидних структур у складі твердої оксидної матриці на основі оксидів цирконію і титану та легкоплавкої боросілікатної зв’язуючої фази B2O3+SiO2. Встановлено, що однією із важливих умов забезпечення високого рівня контактної міцності і опору фретинг-корозійному зношуванню газотермічних покриттів, є формування гетерогенних композиційних структур з оптимальним співвідношенням включень твердих зносостійких фаз і мягкої металічної матричної фази з високою когезійно-адгезійною міцністю. У структур такого типу контактні фрикційні навантаження сприймаються головним чином твердою складовою, зменшуючи цим глибину і ступінь деформації поверхневих шарів. Одночасно пластична матриця забезпечує перерозподіл і релаксацію напружень в зоні фрикційного контакту. Запропоновані механізми фізико-хімічних процесів, що відповідають за зносостійкість різного класу газотермічних покриттів за різних умов фретингу. На прикладі трибосистеми, де функції зовнішньої робочої поверхні виконує шар захисного зносостійкого покриття системи WC-Cо, методом скінчено-елементного аналізу отримані закономірності розподілу напружень, що виникають від дії температур фрикційного нагріву. Встановлено, що внаслідок фрикційного нагріву в трибосистемі можуть виникати додаткові напруження, які перевищують когезійну міцність покриття. Розроблено еволюційну модель трибосистеми, яка встановлює закономірності зміни стану елементів трибосистеми при розвитку високотемпературної фретинг-корозії і визначає умови переходу від нормального зношування до недопустимого глибинного руйнування поверхонь тертя. Теоретично обґрунтовано та експериментально доведено перспективність застосування в якості матеріалів, стійких до високотемпературного фретинг-корозійного зношування з робочою температурою до 1273К, евтектичних сплавів системи Со (Cr;Al;Fe)-TiC та порошкових гарячепресованих псевдосплавів систем Со (Cr; Al;Fe)-TiC, Ni (Cr; Al;Fe)-TiC. Розроблено аналітично-розрахунковий метод оцінювання зносостійкості поверхневих шарів, який дозволяє на єдиній теоретичній основі із застосуванням загальних понять і законів термодинаміки незворотних процесів відкритих нерівноважних систем описувати і аналізувати зміну фізичного стану матеріала поверхневого шару і визначати енергетичну умову його фрикційного руйнування за умов фретинг-контактної взаємодії. Розроблено та запропоновано для практичного використання ряд технологічних заходів, спрямованих на підвищення довговічності деталей авіаційних трибомеханічних систем. Експериментально доведено, що одним із ефективних шляхів досягнення високих експлуатаційних властивостей поверхонь трибоелементів за умови їх фретинг-контактної взаємодії є створення робочого шару з градієнтною макрогетерогенною структурою та структурою дискретного типу. Формування градієнтних структур зменшує опір зсувним напруженням та, відповідно, знижує рівень фрикційного навантаження поверхневих шарів. Структури дискретного типу за рахунок обмеження в межах окремої дискретної ділянки нормальних напружень і напружень, що діють в площині адгезійного контакту, дозволяють досягти більш високої контактної міцності поверхні. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступних основних положеннях. Для умов фретинг-корозійного зношування розроблено аналітично-розрахунковий метод оцінювання зносостійкості поверхневих шарів, який дозволяє описувати і аналізувати зміну фізичного стану матеріалу поверхневого шару та визначати енергетичну умову його руйнування. Вперше для трибосистем, втрата працездатності яких пов’язана з накопиченням в зоні трибоконтакту продуктів зношування, запропоновано розрахунково-аналітичний метод оцінювання фретинг-корозійної сумісності матеріалів. Встановлено закономірності і механізми трибологічних процесів, що визначають зміну інтенсивності фретинг-корозійного зношування залежно від природи матеріалів контактної пари, схеми контакту, параметра відносного зміщення поверхонь та параметрів фретингу. Розкрито механізм інтенсифікації зношування матеріалів при поєднанні фретингу з дією нормальних до поверхні контакту динамічних навантажень. Вперше встановлено підпорядкованість розподілу випадкових похибок величин фретинг-корозійного зносу нормальному статистичному закону розподілу. Встановлено закономірність та механізми впливу природи матеріалів та амплітудно-силових параметрів фретингу на статистичні характеристики розсіювання величини зносу. Розроблено загальну концепцію та структурно-реологічні принципи керування зносостійкістю динамічно-навантажених трибосистм, які ґрунтуються на енергетичній моделі трибопроцесів та структурно-реологічних механізмах дисипації енергії у трибологічному контакті і є теоретичною основою для створення поверхневих структур та матеріалів з підвищеним опором фретинг-корозійному зношуванню. Вперше, методом скінченно-елементного аналізу, встановлено закономірності розподілу додаткових напружень, що виникають в системі «зносостійке покриття – металева основа» від дії температур фрикційного нагріву та визначені шляхи їх мінімізації. Закладено наукові основи створення матеріалів, стійких до зношування в умовах високотемпературного фретингу з робочою температурою до 1273 К. Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що одержано нові наукові положення, які дозволяють науково-обґрунтовано підходити до розробки та впровадженню конструктивно-технологічних заходів з підвищення довговічності деталей трибомеханічних систем, що працюють в умовах фретинг-контактної взаємодії, а також оцінювати і прогнозувати фретинг-корозійну сумісність матеріалів і зносостійкість поверхневих шарів. Розроблені в роботі функціональні зносостійкі матеріали і способи формування зносостійких поверхонь пройшли виробничу апробацію і рекомендовані до впровадження на підприємствах авіапромислового комплексу та підприємствах споріднених галузей. |
| URI: | http://er.nau.edu.ua/handle/NAU/37723 |
| Appears in Collections: | Дисертації та автореферати спеціалізованої вченої ради Д 26.062.06 |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Автореферат для печати 08.02.2019.pdf | Автореферат | 1.57 MB | Автореферат | View/Open |
| Дисертація Духота.pdf | ДИСЕРТАЦІЯ «НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ ПІДВИЩЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ДЕТАЛЕЙ АВІАЦІЙНИХ ТРИБОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ ЗА УМОВ ЇХ ФРЕТИНГ-КОНТАКТНОЇ ВЗАЄМОДІЇ» Спеціальність 05.02.04 – тертя та зношування в машинах Галузь знань 13 – механічна інженерія | 5.94 MB | Adobe PDF | View/Open |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.