Выбор физического принципа

Значительное количество факторов, действующих в функционировании ГПС, ставит задачу о выделении главного физического принципа, который можно положить в основу структуризации всего многообразия происходящих в ГПС процессов.

Целесообразно выделить два вида загрязнений в локальной экологии:

– возможные виды загрязнений, возникающие от способа обработки, например, излучение при сварке, появление окалины при прокатке и т.д.;

– возможные виды загрязнений, возникающие непосредственно при взаимодействии звеньев ТО между собой, например, выделение тепла при работе червячного редуктора.

В ряде работ по триботехнике и трибонике принимается, что основным фактором, определяющим работоспособность машины, является процесс трения и связанный с ним процесс изнашивания.

Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твёрдого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Согласно определению И.В.Крагельского и Н.М.Михина , изнашивание поверхностных слоев твердых тел обусловлено процессами, протекающими в зонах фактического касания твёрдых тел и на поверхностях, подвергающися трению.

Не умаляя важнейшего значения трения постараемся выбрать другой критерий, общий для операций технологического процесса и обслуживающего этот процесс технологического оборудования. Предварительно рассмотрим два примера.

Первый пример

Скорость изнашивания, как явствует из формулы А.С.Проникова, выражается степенной функцией вида:

γ=kpᵐvⁿ,

где k – коэффициент, характеризующий износостойкость материала и условия работы данной пары; v– скорость относительного скольжения; p – давление; n – коэффициент, зависящий отданного вида изнашивания, n =1; m – коэффициент, зависящий от состояния поверхности, для приработанных поверхностей, m=1–3.

Второй пример

Инженерные методы расчёта деталей на износ заключается либо в обеспечении достаточной долговечности их путём назначения для трущихся поверхностей соответствующих допускаемых давлений и ограничения теплонапряжённости пары трения, либо в определении условий,
обеспечивающих жидкостное трение.

Расчёт на невыдавливание масла р=F/(ld)≤[p],

На ограничение теплонапряжённости пары трения рv = [рv].

В последних формулах [p] –допускаемое давление (контактное напряжение); р – контактное давление; F-внешняя сила; l и d – геометрические параметры вращательной кинематической пары; v – скорость.

Оценки ресурса по износу на основе результатов эксперимента и опыта эксплуатации находятся по формуле:

pᵐS` = const.

Cоставляющие формул являются результатом действия контактных нагрузок и скорости относительного скольжения. Они подлежат определению в результате решения контактной задачи. Таким образом, контакт деталей и связанные с этим явлением нормальное давление и силы трения, действующие в области соприкосновения, на преодоление которых расходуется 70% вырабатываемой в мире энергии являются основополагающими при оценке экологических фaкторов.

Это подтверждается условиями работы деталей в машинах и связями между ними: кинематическими, силовыми, свойств материалов и временными.

Детали машин в процессе эксплуатации могут быть жестко соединены между собой или иметь относительное перемещение, причём в последнем случае при наличии смазочного материала или без него, под нагрузкой или без неё.

Нагрузка действует на звенья машины со стороны других звеньев, а также со стороны окружающей среды, которая может быть или нейтральной или агрессивной. На детали в процессе эксплуатации машины могут действовать силы и моменты, как распределенные, так и сосредоточенные. Кроме силового воздействия, детали могут испытывать температурное нагружение.

В зависимости от характера действия различают статическую и динамическую нагрузку.

К статической относится постоянная нагрузка, которая прикладывается к детали спокойно с постепенным нагружением её так, чтобы нагружение не вызывало колебаний системы. К динамической относится нагрузка, приложение которой зависит от времени и вызывает колебания системы, а при внезапном приложении – удары.

Механизм представляется как некоторая комбинация цепей звеньев, где чередуются объёмы и контакты. При наличии кинематических связей нагрузки передаются через объёмы деталей и области контакта между ними. Работоспособность машины обуславливается процессами,
протекающими в зонах фактического касания, которые характеризуются следующими особенностями.

Звенья контактируют между собой по одной или нескольких областей контакта. Область контакта может представлять собой точку, отрезок прямой, плоскость, цилиндр, конус, сферу, эллипсоид и поверхности, ограниченные пространственными кривыми или их отрезками.

Параметры областей контакта зависят от геометрической формы соприкасающихся тел, свойствами их материалов и действующих нагрузок.

В областях контакта действуют контактные усилия, которые могут быть приложены статически и как функции времени, соответственно контактные задачи считаются статическими или динамическими. Вектор контактных нагрузок может быть разложен на составляющие: нормальную к поверхности контакта и касательную к ней (в случае сцепления) или нормальную и силу трения (при относительном перемещении поверхностей).

Поверхности в области контакта могут быть как неподвижные, так и перемещающиеся относительно друг друга. Соответственно коэффициент трения f в контакте может изменяться на величину от 0 до f. Возможно скольжение, качение, качение со скольжением, верчение, верчение с скольжением.

Виды и причины отказов деталей машин.

Возможные причины отказов (выхода из строя) могут быть установлены на основе анализа данных эксплуатации деталей, аналогичных проектируемой, и (или ) соответствующих литературных источников.

Основными причинами выхода из строя деталей машин могут быть следующие:

• появление пластических как объёмных, так и поверхностных деформаций, приводящих к изменению размеров и формы деталей;
• хрупкие разрушения в виде поломок по сечению или повреждений рабочей поверхности;
• повреждения усталостного характера в виде поломок или разрушения рабочей поверхности.

Кроме того, наблюдаются и такие отказы:

• Некоторые детали (например, валы ) могут оказаться неработоспособными вследствие проявления недопустимых упругих деформаций при растяжении, кручении (или) в основном при изгибе, оказывающих существенное влияние на работоспособное состояние передач, подшипников и т.п. в таких случаях говорят о недостаточной жесткости детали;
• Многие детали машин выходят из строя вследствие износа трущихся поверхностей, это обусловлено их недостаточной износостойкостью;
• Эксплуатация некоторых деталей машин (например, червячного редуктора) становится невозможной из-за недопустимого нагрева. В этих случаях говорят о недостаточной теплостойкости деталей машин;
• Поломки деталей машин могу быть обусловлены их колебаниями, что свидетельствует о недостаточной вибропрочности деталей.

Как показал анализ причин отказов шесть из них связаны контактом поверхностей. Примером сложного контакта служит современное представление процесса лезвийной обработки.

Если начальные представления процесса резания опирались на описание механизма снятия
стружки как результата распространения трещины, то современные теории опровергают это представление и теперь общепризнано рассматривать процесс резания как контакт, где могут быть выделены две различные области: область внутреннего трения в зоне деформации стружки,
где имеет место процесс сдвига, и область трения по поверхностям между стружкой и резцом.

Процесс абразивной обработки представляет собой схему взаимодействия абразивных частиц с материалом, в результате которого происходит отделение частиц металла с поверхностью трения.

Особенность процесса шлифования состоит в том, что режущие кромки имеют нерегулярную форму и случайно распределены по активной поверхности круга.

При обработке металлов давлением различные операции могут быть представлены как контактные задачи, в которых основные технологические параметры определяются с учётом исходной анизотропии свойств штампуемого материала, деформационной анизотропии, процессов контактного трения, а также внешней нагрузки.

Прокатка является непрерывным процессом, в котором прокатываемая полоса находится постоянно в движении. При продольной прокатке материал подвергается контактному воздействию со стороны валков.

Условия контактного трения определяют давление металла на валки, расход энергии на прокатку, качество поверхности и т.д. Дополнительные примеры способов производств, где имеет место контакт инструмент – обрабатываемая деталь приведены в работах. Кроме способов обработки необходимо учитывать особенности контактного взаимодействия деталей и узлов ТО.

Обобщая контактные задачи, возникающие при различных способах обработки (инструмент-
заготовка), которые условно определим как операционные, а также задачи, встречающиеся при взаимодействии звеньев ТО, которые в отличие от операционных назовем техническими, можно выделить общие признаки, их характеризующие:

1. Во взаимодействии участвует значительное количество деталей сложной конфигурации, которые контактируют между собой через несколько областей соприкосновения.
2. Области соприкосновения образуются из-за наличия зазоров (натягов) между соприкасающимися поверхностями, а также вследствие перемещений этих поверхностей относительно друг друга при деформации.
3. Границы областей контакта имеют сложную пространственную конфигурацию. В областях соприкосновения при их относительном перемещении действуют силы сухого, полусухого и жидкостного трения, также между ними могут находиться промежуточные тела.
4. Детали в узлах находятся под действием произвольной системы сил, прикладываемых статически, как функции времени, при этом они теплонагружены. На внешнем контуре детали могут быть заданы граничные условия либо в виде напряжений, либо в виде перемещений.
5. Ряд параметров, характеризующих физико-механические свойства материалов, геометрический образ деталей, нагрузки, коэффициенты трения и т.д. задаются как детерминированными, так и стохастическими.
6. Свойства материалов взаимодействующих тел изменяются в широком диапазоне от абсолютно твердых, упругих до вязко-упругих. Кроме того, свойства материалов стыкуемых поверхностей могут отличаться от свойств основного материала путем нанесения покрытий или термообработкой.
7. Наличие нелинейностей физического, геометрического и контактного типов. Нелинейность физического типа возникает при наличии нелинейной связи между деформациями и перемещениями. Геометрическая нелинейность имеет место в том случае, когда возникают большие перемещения при малых деформациях. Наконец, вводится понятие контактной нелинейности, которая соответствует наличию нелинейных свойств контакта в стыках, даже если решается линейная задача теории упругости.

Поясним эти особенности на примерах контакта инструмент- деталь (операционная контактная задача) и цилиндрического вала с цилиндрическим вырезом (техническая контактная задача).