Анализ принципиальной схемы оценки работоспособности механической системы стальной вал / полимерный подшипник скольжения по критериям ИУП

Вопрос №1

Проанализируйте принципиальную схему оценки работоспособности механической системы стальной вал / полимерный подшипник скольжения по критериям ИУП. Адекватна ли эта расчетная схема реальным условиям работы данной механической системы?

Силовой называют всякую механическую систему, которая воспринимает и передает рабочую повторно-переменную нагрузку и в которой одновременно реализуется процесс трения в любом его проявлении – при скольжении, качении, проскальзывании, ударе и др. В качестве типичных примеров назовем системы: вал/ступица (зубчатого колеса, маховика, и др.) с неподвижной, либо ходовой посадкой (прессовые, шпоночные, шлицевые и др. соединения); шейка коленчатого вала/шатун с подшипником скольжения (болтовые, заклепочные и резьбовые соединения, передающие циклическую нагрузку); колесо/железнодорожный рельс и мн. др. Как правило, это наиболее ответственные и массовые узлы современных машин и оборудования. И для них характерно комплексное – износоусталостное повреждение (ИУП), основными видами которого являются фрикционно-механическая, контактно-механическая, эрозионно-механическая и фреттинг-усталость.

В силовой системе типа вал/подшипник скольжения, изображенного на рисунке 1 обнаруживается два различных вида нагрузок: F_N – статическая контактная нагрузка и М – циклический изгибающий момент, который является внеконтактной нагрузкой.

Рисунок 1 – Силовая система типа вал/подшипник скольжения.

Износоусталостное повреждение – это, в общем случае, сложнейший процесс комплексного повреждения и разрушения элементов силовой системы, который можно рассматривать как результат диалектического взаимодействия отдельных (более простых) повреждающих явлений – механической усталости, трения и изнашивания, эрозии, коррозии и т.д.

Таким образом, при традиционной оценке надежности данной механической системы по отдельным критериям (либо по сопротивлению усталости, либо по износостойкости) принимается, что связь между ее элементами (шейка ва-   ла ↔ подшипник скольжения) или слаба (трибология: изучается только пара трения), или вовсе отсутствует (механика усталостного разрушения: изучается лишь отдельный элемент конструкции). В действительности же, с точки зрения трибофатики, в данном случае мы имеем дело с металл-полимерной силовой системой, которая работает в условиях фрикционно-механической усталости. Это означает, что между элементами системы имеет место силовое взаимодействие, обусловленное одновременным и совместным действием как контактного давления р, так и циклических напряжений σ, которые возбуждаются внеконтактными нагрузками. И тогда схема оценки работоспособности системы должна быть такой, как это представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема оценки работоспособности системы.

Надежность силовой системы можно описать с помощью следующих комплексных показателей: F (σ, p) – вероятность отказа системы, обусловленная вероятностью отказа либо вала, либо подшипника, либо обоих элементов одновременно; N (σ, p) – долговечность системы, обусловленная долговечностью либо вала, либо подшипника, либо обоих элементов одновременно; σ _-1р – предел выносливости вала с учетом влияния процессов трения и изнашивания при действии контактного давления р; I_σ (p) – интенсивность изнашивания подшипника при действии циклических напряжений σ.

Поскольку влияние процессов трения и изнашивания на изменение характеристик сопротивления усталости элементов системы вызывает прямой эффект, то ясно, что характеристика σ _-1р количественно описывает этот эффект. Поскольку влияние циклических напряжений на изменение характеристик трения и изнашивания вызывает обратный эффект, то ясно, что характеристика I_σ (p) количественно описывает этот эффект.

Из рисунка 2 нетрудно видеть, что только силовая система действительно адекватна изучаемой реальной механической системе, тогда как пара трения или элемент конструкции представляют собой лишь ее частные схематизации. А показатели надежности изучаемого объекта, определяемые методами трибофатики, достаточно полно отражают реальные условия его работы, тогда как аналогичные показатели, определяемые методами трибологии или механики усталостного разрушения, описывает поведение данного объекта в идеализированных условиях.

Вопрос №2

Что такое прямой эффект? Как определяют коэффициент прямого эффекта?

При прямом эффекте изучают влияние процессов трения и изнашивания на изменение характеристик сопротивление усталостного вала. При обратном эффекте изучают влияние циклических напряжений на изменение характеристик износостойкости обоих элементов.

Вследствие реализации прямого и / или обратного эффекта силовые системы достигают предельного состояния по одному или одновременно нескольким признакам:

- износ предельной величины;

- критические размеры или критическая концентрация малых поверхностных усталостных трещин и / или питтингов;

- остаточная деформация недопустимой величины;

- образование поверхностных волнообразных повреждений;