а) Связь между износостойкостью и диаграммой « напряжение – деформация»

а) Связь между износостойкостью и диаграммой « напряжение – деформация»

Селиванов предлагает характеризовать износостойкость машин графиком, аналогичным рассмотренной выше диаграмме  «напряжение-деформация». При этом он руководствуется следующими соображениями.

   При работе машины напряженное состояние создается дей­ствием:

 -внешней среды повышенной активности (солнца, воздуха, активной полевой и технологической пыли, осадков, темпера­турных изменений, радиации, а также масла в местах смазки деталей);

 -переменной реакции перемещающихся опор (для мобильных машин);

 -переменного (вследствие неустановившихся условий пере­мещения и нагрузок) приложенного  момента или силы тяги (или того и другого вместе) для перемещения машины и вы­полнения ею заданного технологического процесса, вызывающих динамические вибрационные нагрузки;

 -веса машины и отдельных ее элементов.

 Все эти нагрузки и воздействия на машину, находящуюся в процессе потребления (хранение, транспортировка и работа вместе с периодическим пребыванием ее в процессе техническо­го обслуживания, ремонта и замены недолговечных элементов), суммируются и действуют на машину как единый комплекс.

  Машина как реальное твердое тело сопротивляется всем перечисленным нагрузкам и воздействиям, причем у машин различного конструктивного и технологического совершенства это сопротивление разное; этим объясняются различные по периодичности и содержанию мероприятия системы техническо­го обслуживания и ремонта вместе с заменой недолговечных элементов.

  Машина в качестве твердого тела должна рассматриваться как анизотропное тело, поскольку элементы ее структурной решетки имеют неодинаковые упругие свойства.

  Степень анизотропности такого тела зависит от назначения машины, ее конструкции, технологии изготовления конструк­тивных и подготовки неконструктивных элементов. Для простых машин и орудий, не имеющих внутренних взаимоперемещений конструктивных элементов (например, борона, культиватор), степень анизотропности низкая, так как неравномерны развитие поверхностей соприкосновения деталей рабочих органов с обра­батываемым телом по разным направлениям, испытываемые при этом нагрузки, а также развитие всех поверхностей соприкосно­вения машин с внешней средой при работе, транспортировке, хранении. Однако уже в простых машинах, механизмах и ору­диях эти места контакта с внешней средой могут считаться местами концентрации нагрузок и напряжений от указанного выше комплекса воздействий.

 В сложных механизмах и машинах анизотропность услож­няется вследствие различного взаимного контакта конструктив­ных элементов, изготовленных часто из разных материалов. Одновременно в сложных машинах при оценке анизотропности должно учитываться наличие различных пустот, щелей, зазоров, частично заполняемых обрабатываемым материалом, смазкой или засорителями различного происхождения и свойств. Кроме того, многие контактные поверхности сопрягаемых конструктив­ных элементов машин, работающих в условиях смазки, покрыты адсорбированной пленкой. В зависимости от наличия и харак­тера пленки и качества обработки поверхностей развиваются различные виды трения и местных износов, вызывающих искажения нормальных  взаимодействий  конструктивных  элементов, даже при одинаковых внешних воздействиях на машину.

В общем виде машину следует считать недостаточно упорядоченным многокомпонентным твердым телом, отдельные компоненты которого имеют различные упругие и пластические свойства. Неупорядоченность машины возрастает от ее центра (которым следует считать место привода машины или прило­жения силы тяги) к периферии (которой следует считать малонагруженные конструктивные элементы, служащие для завер­шающих или вспомогательных операций технологических про­цессов) .

Отсюда можно считать, что по мере ослабления отдельных конструктивных и неконструктивных элементов машины вслед­ствие их износа и увеличения размеров пустот в местах контак­та элементов будут возникать ускорения, силы инерции, дина­мические нагрузки, увеличивающие скорость деформации машины.

Новой (или отремонтированной) машине при кратковремен­ных испытаниях свойственны высокие характеристики сопротив­ляемости деформации, являющиеся своего рода пределом упру­гости этих тел. При длительном (по времени) нагружении но­вые и отремонтированные машины ведут себя по-разному вследствие различной скорости и различного соотношения при­обретаемых при этом нагружении упругих и остаточных деформаций. Новые машины больше изменяют свои характери­стики в пределах упругих деформаций, а многие старые изно­шенные машины даже и при выполнении технического обслужи­вания и ремонта вместе со сменой недолговечных элементов характеризуются большей скоростью нарастания пластических деформаций, в то время как доля их упругих деформаций падает.

Машина как реальное твердое тело отличается тем, что, являясь искусственно созданным телом, доступна для созна­тельного контроля и изменения состояния отдельных структур­ных составляющих или компонентов. Структурным состоянием машины можно управлять в довольно широких пределах. Более того, благодаря возможности применять в ранее выпущенной машине более долговечные элементы последующего изготовле­ния или ремонта, может происходить торможение сдвиговых процессов, т. е. упрочнение тела.

Следовательно, находящаяся в процессе потребления ма­шина под действием длительных нагрузок (ниже уровня, опре­деляемого пределом текучести, так как в противном случае машина сразу же выходила бы из строя из-за поломок) пре­терпевает сложную деформацию — суммированный износ. Эту деформацию можно подобно относительному удлинению услов­но обозначить [?], а при построении соответствующих диаграмм в определенном масштабе пользоваться значениями Рм.сум. Между условным напряжением [?] от воспринимаемых машиной нагрузок и деформацией (суммированным износом) в период нормальной работы машины существует связь, которую можно выразить законом Гука .

В данном случае этот закон сформулируем так: суммирован­ный износ пропорционален эквивалентному напряжению, испы­тываемому машиной от суммированной нагрузки и других воздействий за время ее использования, и обратно пропорцио­нален модулю [Е] противоизносной устойчивости машины:

    (4.7)

  При этом размерность модуля [Е] противоизносной устойчи­вости машины такая же, как и размерность напряжения  [?]   в каком-либо эквивалентном   сечении машины от воспринимаемых ею на­грузок,    поскольку Рм.сум    относительная величина.

Если построить график, отложив по оси абсцисс суммированный из­нос машины, который в известном масштабе будет представлять деформацию машины, а по оси орди­нат — всю воспринимаемую маши­ной нагрузку (нагрузку можно вы­разить через время работы машины, объем выполненной машиной рабо­ты или пробег), которая в соответ­ствующем масштабе будет представ­лять напряжение, испытываемое ма­шиной от воспринимаемых нагрузок с учетом ее износостойкости, то этот график (рис. 4.4) в общем слу­чае будет аналогичен диаграмме «напряжение-деформация»,  рассматриваемой   в  сопротивлении материалов.   

Если считать, что промышленность выпускает машину, про­шедшую достаточную обкатку, при которой уже завершена приработка деталей, т. е. машину, которая сразу же может выполнять работу с нагрузкой при средней (а не увеличенной) интенсивности износа, то начало координат может быть соеди­нено с точкой А графика прямой линией.

 

 

Рисунок  4.4 - Суммированный износ машины в форме диаграммы «напряжение-деформация»

Тогда график рис. 4.4 будет иметь все величины, характеризующие свойства машины в условиях эксплуатации как многокомпонентного реального твердого тела: пределы пропорциональности ?п, текучести ?т, прочности ?в и модуль [Е] противоизносной устойчивости машины в виде тангенса угла наклона линии ОА диаграммы напряжения к оси абсцисс;  

 Нетрудно заметить, что угол ? = 90 — ?  , где ? — угол наклона общеизвестной линии износа, характеризующей в дан­ном случае интенсивность суммированного изнашивания ма­шины.

 Тангенс этого угла характеризует модуль противоизносной устойчивости машины:

  Это означает, что по исходным данным, служащим основа­нием для построения общеизвестных линий износа, можно для любых объектов строить более содержательные характеристи­ческие графики, выражающие износ в форме диаграмм «дефор­мации — напряжения», для чего необходимо располагать в обрат­ном порядке оси координат (рис. 4.5).

 

 

Рисунок 4.5 - Случаи суммированного износа в форме диаграммы  «напряжение-деформация»:а — при наличии сменяемых конструктивных элементов с постоянными сроками службы; б — при наличии прогрессирующего сокращения сроков службы сменяе­мых конструктивных элементов

Диаграмма    «деформации – напряжения»машины, выдерживающая нагрузки без замены конструктивных или возобновления неконструктивных элементов, будет иметь ступенчатый характер (рис. 4.5 а); каждая ступень на диаграмме будет означать, что в точке а1 предел пропорциональности ?п1 нарушен и пропорциональность восстанавливается снова лишь   после  замены    соответствующего    конструктивного    или возобновления неконструктивного элемента.

 Для реальных машин с прогрессирующим по мере старения сокращением сроков службы сменяемых конструктивных эле­ментов и усложнением процессов технического обслуживания и ремонта значение предела пропорциональности невелико и колеблется в зависимости от конструктивного и технологиче­ского совершенства машины, т. е. от ее противоизносной устойчивости.

В этом случае на диаграмме будут отмечены ступени, которые располагаются на кривой (рис. 4.5 б).

    На рис. 4.6 в качестве подтверждения вышесказанного приведена кривая с рис.4.5,а, перестроенная в традиционных для износа координатах  « И – t ».

 

Рисунок 4.6 - Кривая с рис.4.5 а, перестроенная в традиционных для износа координатах  « И – t ».

 Как видим, форма кривой на рис 4.6 является  традиционной для износовых кривых.

Приведенное здесь толкование линии износа позволяет исследователям  износа машин использовать теорию сопротив­ления материалов, прочности, упругости и металловедения для решения ряда вопросов износа машин, оценки их конструктив­ного и технологического совершенства и отыскания новых путей улучшения их противоизносной устойчивости.

А. Ф. Иоффе  доказал, что при всякой механической деформации материала поликристаллического строения соз­дается определенная ориентировка кристаллов (кристаллы пово­рачиваются) и в общем случае  при  точных измерениях график «деформации — напряжения»

 даже в области деформаций, кото­рые принято считать упругими, имеет ступенчатый характер, без определенной точки, соответствующей пределу пропорцио­нальности, и т. д. Для машин это дает возможность полагать износ недолговечных элементов протекающим по закону прямой, пренебрегая его ничтожными колебаниями.

  При более детальном сравнении характеристик современных машин с характеристиками реального твердого тела, при нали­чии сменяемых конструктивных элементов можно прийти к за­ключению, что вследствие технического ухода и регулирования механизмов машина как нагруженное тело восстанавливает свою способность противостоять первоначальным нагрузкам в пределах упругих деформаций.

  Путем ремонта и замены отдельных конструктивных элемен­тов машина как нагруженное реальное твердое тело, получив­шее в виде форсированного суммированного износа некоторую остаточную деформацию, восстанавливает свою способность противостоять дальнейшим нагрузкам в пределах упругих де­формаций, пока не будет пройден общий предел пропорциональ­ности для данной машины. Когда наступает общее относительно быстрое увеличение остаточных деформаций (что приблизитель­но соответствует моменту перехода от предела пропорциональ­ности к пределу текучести), то по темпу роста этих деформа­ций может быть определен оптимальный срок службы ма­шины. Различные машины обладают различной восприимчивостью к упругим и остаточным деформациям, т. е. различной пластич­ностью.

Из приведенного выше вытекает возможность нового прин­ципа построения и рассмотрения общеизвестных линий износа образцов, отдельных конструктивных и неконструктивных эле­ментов и целых машин с учетом сопоставления площадей по­добных диаграмм (см. рис. 4.4), характеризующих работу сил трения и т. п.