ОЦЕНКА УДЕЛЬНОЙ РАБОТЫ РАЗРУШЕНИЯ НЕ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ С УЧЕТОМ ЛОКАЛЬНОЙ ТВЕРДОСТИ В ЗОНЕ ИХ РАЗРУШЕНИЯ

Звонарёв Иван Евгеньевич

аспирант Горного университета, г. Санкт-Петербург

E-mail: ZVano@mail.ru

Иванов Сергей Леонидович

д-р техн. наук, профессор Горного университета, г. Санкт-Петербург

E-mail: lisa_lisa74@mail.ru

Фокин Андрей Сергеевич

канд. техн. наук, ассистент Горного университета, г. Санкт-Петербург

E-mail: Fokin@spmi.ru

Семёнов Михаил Алексеевич

д-р техн. наук, профессор Горного университета, г. Санкт-Петербург

E-mail: semenov021144@rambler.ru

ASSESSMENT OF SPECIFIC WORK OF DESTRUCTION NOT STANDARD SAMPLES TAKING INTO ACCOUNT LOCAL HARDNESS IN THE ZONE OF THEIR DESTRUCTION

Ivan Zvonarev

postgraduate student of the Mining University, St. Petersburg

Sergey Ivanov

Doctor of technical sciences, professor of the Mining University, St. Petersburg

Andrey Fokin

Candidate of technical sciences, assistant of the Mining University, St. Petersburg

Mikhail Semenov

Doctor of technical sciences, professor of the Mining University, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Рассмотрен эффект локального изменения поверхностной твёрдости торцевых поверхностей зубьев крупномодульных зубчатых колёс горных машин. Описаны закономерности поверхностной твёрдости не стандартных образцов в зависимости от вида и величины нагружения. Дана оценка работе разрушения образцов.

ABSTRACT

The effect of local change of superficial hardness of face surfaces of teeths of coarse-grained cogwheels of mining machines is considered. Regularities of superficial hardness not standard samples depending on a look and loading size are described. The assessment is given to work of destruction of samples.

Ключевые слова: поверхностная твёрдость; горные машины; зубчатые передачи; энергоресурс.

Keywords: superficial hardness; mining machines; tooth gearings; power resource.

Анализируя поверхностную твёрдость торцов зубьев зубчатых колёс лебёдки подъёма экскаватора типа ЭКГ, отработавшей около 2000 часов, на торцевых поверхностях зубьев шестерни (модуль m=8 мм) были выявлены локальные изменения их поверхностной твёрдости. Измерения проводились на универсальном твёрдомере Zwick ZHU 187 (индентор — четырёхгранная алмазная пирамидка; нагрузка — 100 Н; время выдержки — 10с).

Для выявления закономерностей проявления локального изменения поверхностной твёрдости зубьев крупномодульных передач при их эксплуатации, измерению подвергались 11 зубьев по их торцевым поверхностям. Торцевая поверхность каждого зуба была разбита на 76 секторов, в пределах которых проводились измерения поверхностной твёрдости в 3—5 точках.

Сравнивая полученную картину с моделью напряжённо-деформированного состояния зубьев при их работе—[4], выявлено подобие изменения локальных областей повышенной твёрдости с максимальными напряжениями от деформации зуба при изгибе.

Выявленный характер изменения твёрдости удалось связать с процессом изменения прочностных свойств металлов с учётом микро- и макромеханизмов пластических и упругих деформаций, вызывающих искажение кристаллической решётки металлов с образованием и перемещением вакансий и дислокаций, при котором изменение плотности внутренней энергии пропорциональной внутреннему объёму накопленных дислокаций не зависит от условий нагружения и является физической константой материала—[2].

При моделировании были проведены эксперименты на тонких образцах периодически изменяющейся формы. В качестве последних была выбрана монтажная лента ЛВП — 12х5,5 (рис. 1а) толщиной 0,55 мм.

а                                      б

Рисунок 1. Геометрические размеры образцов до (а) и после (б) растяжения

Образцы из такой ленты обладают единством исходных физико-механических свойств и легко воспроизводимы, что позволяет анализировать процесс накопления нарушений в материале образцов при различных способах её нагружения: растяжении на машине для статических испытаний Zwick Roell и при знакопеременном изгибе на маятниковом стенде [1]. Работа разрушения образцов длинной 210 мм на машине Zwick Roell составила 3.07 Дж.

Аналогичные образцы разрушены изгибом на маятниковом стенде. В каждой серии опытов (7 испытаний при одинаковых условиях) образцы подвергались нагружению чистым изгибом и изгибом с одновременным растяжением под действием силы тяжести маятника, равного соответственно 51,15, 41,15, 31,15, 21,15 Н. Исходное отклонение маятника составляло 31^О 3’.

Результаты измерений твёрдости в непосредственной близости к плоскости разрушения и по его длине всех образцов были подвергнуты статистической обработке и представлены на рисунке 2. Изменение твёрдости по длине образца, растянутого на машине Zwick Roell, от плоскости разрыва к периферии при растяжении на рисунке 2 отмечены позицией 1 и представляет собой волнообразную кривую с максимальными значениями твёрдости в области перфорации (позиция 1 рис. 1) и минимальной — области сужения звена образца (перемычка, позиция 2 рис. 1). Как показал анализ измерения геометрических размеров при разрушении образцов растяжением, наибольшие деформации соответствуют и большему повышению твёрдости, максимум которых находится в зоне разрушения. При разрушении образца чистым изгибом значение твёрдости плавно снижается от максимального до номинальной в пределах одного звена образца (кривая 2).

Рисунок 2. Изменение твёрдости по длине исходного образца и разрушенных образцов растяжением, изгибом и совместным действием изгиба.

1 — статическое растяжение; 2 — чистый изгиб; 3—6 — изгиб с растяжением при нагрузке 51,15, 41,15, 31,15 и 21,15 Н соответственно; 7 — исходный образец.

Изгибу с растяжением соответствуют кривые 3, 4, 5, 6. Кривые изменения твёрдости в пределе приближаются к кривой 2, соответствующей нагружению чистым изгибом.

Чистая работа разрушения образцов с учётом диссипации системы при движении в воздухе составили: 1,69 Дж (51,15 Н); 2,288 Дж (41,15 Н); 2,81 Дж (31,15 Н); 3,032 Дж (21,15 Н).

В скобках указано усилие с которым растягивали образец при изгибе, эквивалентное силе тяжести конструкции маятника с грузом.

Предполагая, что работа разрушения пропорциональна плотности дислокаций, возникающих в образце под действием внутренних напряжений, а напряжения в свою очередь есть суть реакции на внешнее силовое воздействие оценим удельную работу на создание критической плотности дислокаций в непосредственной близости от плоскости разрушения. При этом, учитывая тот факт, что плотность дислокаций пропорциональна микротвёрдости поверхности, воспользуемся результатами экспериментов и обобщенными данными, представленными на рис. 2. Интегрированием определим площадь ограничения кривыми 1—6, 7 и II и полученные результаты для единичной площади (объёма) отнесем к работе разрушения соответствующих образцов. Так как образцы представляют собой ленту — допустимо считать, что по толщине образца плотность дислокаций постоянна, что позволяет по сути перейти от объёма к поверхности.

Значения удельной работы разрушения отнесённые к плотности дислокаций выраженной через значение микротвёрдости поверхности в зоне разрушения можно считать величиной постоянной в пределах точности эксперимента и составляет 0,023 Дж, что не противоречит теории энергоресурса и кинетики разрушения [2, 3].

Данный вывод позволяет с позиции энергетического подхода к разрушению, оценивать энергоресурс через предельную плотность дислокаций, а остаточный ресурс оценивать по результатам мониторинга микротвёрдости в опасных сечениях деталей или конструкций. Возможно решение и обратной задачи: экспериментальное определение потенциально опасных сечений по локализации областей повышенной микротвёрдости поверхностей.

В качестве выводов можно отметить:

·     величина твёрдости образца подверженного нагружению изменяется в соответствии с перфорацией образца и определяется накоплением нарушений в его структуре;

·     накопление нарушений (дислокаций) в образце уменьшается с удалением от плоскости разрушения, что связано с перераспределением напряжений по длине образца под действием внешних нагрузок

·     величина твёрдости образца в районе плоскости разрушения не зависит от способа его разрушения и определяется предельной величиной нарушений (дислокаций) в материале образца.

Список литературы:

1.Звонарёв И.Е., Иванов С.Л., Фокин А.С. К экспериментальной оценке энергоресурса элементов трансмиссий машин / Современные проблемы машиностроения: труды VI Международной научно-технической конференции / Томский политехнический университет, 2011 / с. 77—80

2.Ибатуллин И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев: монография / И.Д. Ибатуллин. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. 387 с.

3.Иванов С.Л. Повышение ресурса трансмиссий горных машин на основе оценки энергонагруженности их элементов. СПб.: РИЦ СПГГИ(ТУ), 1999. — 92 с.

4.Латвин Ф.Л, Фуэтнеси А., Занзи К., Понтиджиа М. Проектирование, формообразование и анализ напряжённого состояния двух разновидностей плоскоколёсных передач // Передачи и трансмиссии. 2004. № 1.