НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Дворук Володимир Іванович

УДК 621.891

Реолого-кінетична концепція абразивної зностійкості та її реалізація в керуванні працездатністю механічних трибосистем

Спеціальність 05.02.04. – тертя та зношування в машинах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант доктор технічних наук, професор

Шевеля Валерій Васильович

Хмельницький національний університет

(м.Хмельницький), професор кафедри фізики

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Стечишин Мирослав Степанович, Хмельницький національний університет (м. Хмельницький), професор кафедри машинознавства

доктор технічних наук, професор Пашечко Михайло Іванович, Національний університет “Львівська політехніка” (м. Львів), професор кафедри інженерного матеріалознавства і прикладної фізики

доктор технічних наук, професор Некоз Олександр Іванович, Національний університет харчових технологій (м. Київ), професор кафедри матеріалознавства і технології машинобудування

Захист відбудеться 20.12.2007 р. о 13 годині _30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.026.06 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03680 м. Київ, пр. Космонавта Комарова 1, корпус 1, ауд.1-001

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680 м. Київ, пр. Космонавта Комарова 1, корпус 8

Автореферат розісланий 18.11.2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук Корчук О.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Абразивне зношування є головним фактором, що обмежує технічні характеристики і ресурс машин, механізмів та обладнання. На частку цього виду руйнування припадає від 50 до 80% випадків передчасного виходу з ладу деталей технічних засобів різного призначення, зокрема видобувних, транспортуючих і перероблюючих мінеральну сировину, сільськогосподарських, будівельних, дорожніх, транспортних тощо. Світове споживання чорних металів для виготовлення деталей, що піддаються абразивному зношуванню, сягає 2,5 млн. тони за рік. Збитки від абразивного зносу дорівнюють збиткам від решти видів зносу. У промислово розвинених країнах витрати на заміну деталей, зношених під дією абразиву, становлять 4% національного доходу. Тому абразивний знос та захист вузлів тертя машин – одна з центральних проблем науки і техніки.

Характер абразивного зношування деталі залежить від схеми напружень, яка визначається механізмом дії абразиву з різним ступенем закріпленості (вільний та закріплений). Вивчення закономірностей зношування вузлів тертя вільним та закріпленим абразивами є основним питанням досліджень цього процесу. Його вирішення має не лише теоретичну спрямованість - з’ясування фізичної суті абразивного зношування за різних умов та режимів роботи вузлів тертя, але й практичну спрямованість – забезпечення необхідних триботехнічних властивостей вузлів тертя. Особливо це актуально для спряжень, що працюють в умовах одночасного зношування вільним та закріпленим абразивами. Прикладом таких вузлів тертя можуть бути замкові з’єднання труб бурильної колони, для яких в обсадженому стволі свердловини провідним є зношування через тертя об вільний абразив, а у відкритому стволі – об закріплений абразив.

Актуальність цієї роботи визначається тим, що проблема абразивного зносу та захисту вузлів тертя ще не отримала належного наукового обґрунтування і потребує нових підходів до її розв’язування. Абразивний знос завжди супроводжується локальною деформацією та відривом частинок матеріалу, оскільки механізм абразивного зношування безпосередньо пов'язаний з механізмами деформування та руйнування. Тому питання про зв’язок між цими процесами під час тертя об вільний та закріплений абразиви є одним з найскладніших для трибологічних досліджень, відповідь на яке дозволить створити ефективну концепцію абразивної зносостійкості матеріалів. Розроблення та вибір на цій основі нових матеріалів з поліпшеними триботехнічними властивостями суттєво підвищить ресурс вузлів тертя, зокрема, замкових з’єднань, робочих коліс та вихідних патрубків, турбін, що обмежують ресурс відповідно труб нафтового сортаменту, шламових насосів, дробометальних барабанів тощо.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрям досліджень пов’язаний з державною науковою програмою ГКНТ 0.72.01 „Создать и освоить ресурсосберегающие технологии производства сварных конструкций, обеспечивающие повышение качества, надежности и долговечности машин, механизмов и сооружений”.

Основні етапи роботи пов’язані з виконанням 9 держбюджетних та госпрозрахункових тем за планами науково-дослідних робіт Українського науково-дослідного і проектного інституту нафтової промисловості (тепер ВАТ „Український нафтогазовий інститут”) та Київського інституту інженерів цивільної авіації (тепер Національний авіаційний університет). Теми виконувались протягом 1987 - 2001 рр. В усіх темах автор був виконавцем („Разработать высокоэффективные наплавочные материалы для армирования породоразрушающего и бурильного инструмента с целью 1,5–кратного увеличения износостойкости” № ДР 01890036025; „Исследование влияния конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов на триботехнические характеристики тяжелонагруженых деталей машин” № ДР 0195U030464 та ін.), відповідальним виконавцем („Разработать технологию наплавки и оборудование для армирования замков бурильных труб в заводских условиях” № ДР 0187074509; „Теоретичні дослідження і застосування триботехнічних, газодинамічних і електрофізичних способів очистки деталей машин і мастильних матеріалів” № ДР 0198U000701 та ін.), а також науковим керівником („Повышение износостойкости триботехнического композита с релитовым наполнителем” № ДР 0193U043027).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення концепції абразивної зносостійкості, що грунтується на реолого-кінетичному підході до взаємозв’язку руйнування з деформуванням, та її реалізація в керуванні працездатністю механічних трибосистем при розробленні та виборі ефективних матеріалів.

Відповідно до поставленої мети в роботі вирішувались такі завдання:–

вибрати типові вузли тертя, що визначають ресурс машин і обладнання в умовах зношування вільним та закріпленим абразивами, узагальнити й уточнити дані про режим їх роботи, конструктивно-технологічні особливості, характер зносу та захист від нього;–

розробити та обґрунтувати методики дослідження абразивного зношування і реологічних процесів у матеріалах вузлів тертя машин;–

розробити фізичну модель абразивного руйнування, яка б дозволила враховувати одночасний перебіг у поверхневому шарі двох взаємопов’язаних процесів – руйнування та деформування при абразивному зношуванні;–

розробити та перевірити розрахунково-аналітичні моделі зносу в умовах тертя по початково-закріпленому абразиву і зношувальної здатності під час тертя по початково-вільному абразиву в зазорі трибоспряжень, які б дозволили прогнозувати триботехнічні характеристики вузлів тертя машин залежно від режиму навантаження та реологічних властивостей матеріалів з врахуванням фактора взаємозв’язку між реологічними процесами; –

теоретично й експериментально дослідити вплив режиму навантаження на параметри реологічних процесів у матеріалах механічних трибосистем та їх взаємозв’язок в умовах тертя по початково-закріпленому і початково-вільному абразивах;–

розробити на основі встановлених зв’язків між реологічними процесами критерії абразивного зносу та зношувальної здатності, які б дозволяли вибирати матеріали для вузлів тертя без проведення триботехнічних випробувань;–

на основі встановлених зв’язків між реологічними процесами визначити принцип мінімізації абразивного зносу та зношувальної здатності, яким би можна було керуватися при створенні та виборі матеріалів для вузлів тертя;–

зробити новий склад наповнювача стрічкового реліту для плазмового наплавлення деталей машин, який би забезпечував поліпшення триботехнічних властивостей композитів згідно із запропонованим принципом;–

провести приймальні та експлуатаційні випробування вузлів тертя для підтвердження теоретичних засад роботи та їх практичної реалізації. Впровадити в промислове виробництво замки з армованою боковою поверхнею для бурильних труб та деталі обладнання ливарного виробництва з композиційними евтектичними покриттями.

Об’єкт дослідження – абразивне зношування механічних трибосистем.

Предмет дослідження – реологічні процеси в матеріалах при абразивному зношуванні та закономірності взаємозв’язку між ними з позицій реолого-кінетичного підходу.

Методи дослідження. Для досягнення мети, що була поставлена в роботі, використовували сучасні теоретичні, розрахунково-аналітичні та експериментальні методи аналізу та контролю, зокрема, математичного і фізичного моделювання, математичної статистики, металографії, мікрорентгеноспектроскопії, вихрових струмів. Широко застосовували спеціальну вимірювальну апаратуру для визначення трибологічних, реологічних, та фізико-механічних властивостей матеріалів. Експериментальні дослідження в умовах абразивного зношування проводили на лабораторному стенді, а також в умовах експлуатації на реальних вузлах тертя машин.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає в обґрунтуванні реолого-кінетичної концепції абразивної зносостійкості шляхом розроблення наукових положень, що відображають отримані теоретичні та експериментальні триботехнічні закономірності, і дозволяють її реалізувати в керуванні працездатністю механічних трибосистем за рахунок створення та вибору ефективних матеріалів.

Основні положення, що характеризують наукову новизну роботи, полягають у такому:

1. Запропоновано нову фізичну модель абразивного руйнування, що грунтуються на розрахунковій моделі дисконтинуума матеріалу, де провідна роль належить вертикальним клиноподібним тріщинам, разом з пластичними зонами навколо їх вершин. Це дозволяє враховувати факт одночасного перебігу двох різних процесів у поверхневому шарі при абразивному зношуванні - процесу руйнування та процесу деформування, зв’язок між якими ґрунтується на уявленнях про руйнування як кінетичному процесі. В результаті на межах пластичних зон зароджуються бокові горизонтальні тріщини, завдяки поширенню яких відбувається формування частинок зносу та їх відокремлення від поверхні.

2. Уперше отримано моделі для розрахунку абразивного зносу та зношувальної здатності тертьової поверхні залежно від режиму навантаження та реологічних параметрів матеріалу. Це дозволяє порівняти розрахункові та експериментальні дані, обґрунтувати процеси контактної взаємодії і зв’язок між ними. Оцінено основні фактори, що впливають на триботехнічні характеристики матеріалів, якими під час тертя по початково-закріпленому абразиву є питоме навантаження, шлях тертя та в’язкість руйнування матеріалу, а під час тертя по початково-вільному абразиву – крім цих факторів, ще й також відносне видовження матеріалу.

3. Уперше поставлено і розв’язано проблему взаємозв’язку деформування та руйнування в умовах абразивного зношування з погляду реолого-кінетичного підходу. Визначено внесок кожного з процесів деформування та руйнування у формування триботехнічних властивостей матеріалів. Під час тертя по початково закріпленому абразиву провідну роль відіграє процес руйнування, а при терті по початково вільному абразиву – процес деформування. Це дозволяє сформулювати триботехнічний принцип мінімізації абразивного зносу та зношувальної здатності матеріалів.

4. На основі розкритих зв’язків між руйнуванням та деформуванням отримано дані, що поглиблюють, розширюють та конкретизують існуючі уявлення про механізми абразивного зношування. Це дозволяє запропонувати реологічні параметри як універсальні критерії абразивного зносу та зношувальної здатності для вибору матеріалів вузлів тертя машин. Установлено, що в міцнісній основі механізму зношування в умовах тертя по початково закріпленому абразиву лежить опір руйнуванню, а тертя по початково вільному абразиву – опір деформуванню при мало цикловому втомлювальному навантаженні ділянок закріплення абразивних частинок у стиранісній поверхні.

5. Науково обґрунтовано підхід до вивчення питання про взаємозв’язок деформування та руйнування в умовах абразивного зношування, який містить комплексний метод досліджень для з’ясування цього питання, а також нові методи і технічні засоби визначення запропонованих реологічних характеристик.

6. Уперше визначено граничні концентрації компонентів наповнювачів стрічкового реліту для плазмового наплавлення деталей машин. Установлено, що найбільш ефективним є наповнювач, який містить зерна реліту (85–95%), хром (2–5%), силікокальцій (0,5–2%), силікомарганець (0,5–2%), ферованадій (1–3%). Підтверджено, що поліпшення триботехнічних властивостей нового композиту відбувається згідно з положеннями реолого-кінетичної концепції абразивної зносостійкості.

Практичне значення одержаних результатів. Реолого-кінетична концепція абразивної зносостійкості, запропонована, автором дала змогу:–

розробити розрахунково-експериментальний метод оцінювання і прогнозування абразивного зносу та зношувальної здатності вузлів тертя залежно від основних факторів;–

розробити інженерні критерії та принцип мінімізації абразивного зносу та зношуювальної здатності для вибору матеріалів та покриттів вузлів тертя;–

розробити новий склад наповнювачів стрічкового реліту для плазмового наплавлення деталей машин (А.с.169063). –

підвищити ресурс замкових з’єднань у 2 – 2,5 разу без зниження ресурсу труб обсадної колони; –

підвищити ресурс шламового насоса та дробометальної установки у 1,3 – 2,6 разу.

На Дрогобицькому долотному заводі впроваджено у серійне виробництво замки з армованою боковою поверхнею для бурильних труб. Економічний ефект становить 7 млн. 242 тис. крб. (за цінами 1989 р.).

У ВО “Прикаспійбурнафта” (1990 р.), “Краснодарнафтагаз” (1990 р.) та “Укрнафта” (1990 р.) проведені приймальні випробування замків армованих новим матеріалом [28].

У ТОВ “Ливарний завод” (2004 р.) проведено експлуатаційні випробування робочих коліс та вихідних патрубків шламового насоса, а також турбін дробометальних барабанів наплавлених евтектичним сплавом, вибраним згідно з теоретичними засадами роботи.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях із співавторами особистий внесок здобувача полягає в такому:

- розроблено установку для електромагнітних досліджень матеріалів і проведено експеримент [26];

- запропоновано статистичні критерії оцінювання лінійного зносу сплавів і покриттів в умовах фретинг-корозії [27];

- визначено й оптимізовано склад наповнювача стрічкового реліту для плазмового наплавлення [28];

- запропоновано метод і створено технічні засоби для безперервного дистанційного оцінювання лінійного зносу трибосистем у процесі випробувань [12];

- запропоновано метод оцінювання релаксаційної здатності матеріалів в умовах абразивного зношування і проведено експериментальні дослідження [13];

- визначено склад нового матеріалу для умов абразивного зношування, проведено стендові випробування циліндрових втулок [14];

- розроблено математичну модель зносу металів в умовах фретинг-корозії [20];

- проведено експериментальні дослідження з вивчення формування фретинг-корозійного концентратора напруження і його впливу на опір втоми металів [21];

- модернізовано установку для триботехнічних досліджень матеріалів в умовах абразивного зношування та проведено триботехнічні дослідження композитів [22];

- розроблено математичну модель абразивної трибоочистки і запропоновано новий матеріал для робочого інструменту [23];

- створено методику і установку для прискорених випробувань матеріалів при гідро- абразивному зношуванні [24];

- створено методику і установку для визначення міцності з’єднання металопокриттів з основним металом, запропоновано новий матеріал і конструкцію робочого інструменту для вирівнювання поверхні [25];

- розроблено механізм утворення частинок зносу під час тертя ковзання металів за наявності абразиву [15];

- запропоновано хвильову модель абразивного зношування металів [16];

- обґрунтовано кінетичну концепцію абразивного зношування і проведено експлуатаційні випробування деталей ливарного обладнання з евтектичним покриттям [17];

- розроблено метод оцінювання поверхневої енергії металів в умовах абразивного зношування [18]

- запропоновано фізичну модель абразивного руйнування і реологійний параметр зносостійкості [18]

Розроблення замків для бурильних труб з боковою поверхнею, армованою стрічковим релітом (ТУ ИЭС-677-88), виконано у співпраці з Інститутом електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України. Особистий внесок здобувача в цю розробку полягає в проведенні триботехнічних досліджень наплавлених сплавів, експериментальному визначенні оптимального складу наповнювача стрічкового реліту, а також у проведенні структурних досліджень впливу операції термічної обробки замка на якість наплавленого сплаву.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались і обговорювались на всесоюзному семінарі „Эффективные технологические процессы и оборудование для восстановления и упрочнения деталей машин” (Пенза, 1991р.), науково-технічних семінарах КМУЦА (Київ, 1993-1995 рр.), науково-технічних конференціях наукових колективів КМУЦА (Київ, 1994-1997 рр.), міжнародних науково-технічних конференціях „Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення ” (Київ, 1995 р.), „Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (Запоріжжя, 1998 р.), „АВІА” (Київ, 1999, 2000, 2006, 2007 рр.), „Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2000)” (Хмельницький, 2000 р.).

У повному обсязі дисертація доповідалась і обговорювалась на науково-технічних семінарах НАУ (КМУЦА) (Київ, 1996, 1997, 1999, 2001-2003, 2007 рр.), Інституту надтвердих матеріалів ім.. В.М.Бакуля НАН України (Київ, 2002 р.), НТУУ “Київський політехнічний інститут” (Київ, 2002 р.), Запорізького національного технічного університету (Запоріжжя, 2003 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 44 наукові праці, в тому числі 1 монографія, 26 статей (18 – у наукових журналах, 8 – у збірниках наукових праць) у наукових фахових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України, 1 авторське свідоцтво на винахід, 5 статей у збірниках наукових праць, 11 матеріалів і тез у працях міжнародних та національних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків, додатка і списку використаних джерел з 351 найменування. Загальний обсяг дисертації становить 471 сторінку, що містить 130 рисунків, 51 таблицю та 12 додатків на 98 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, яка містить інформацію про актуальність теми, зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, мету і завдання дослідження, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача, апробацію і публікації результатів дисертації.

Перший розділ присвячено обгрунтуванню актуальності теми дисертації, її мети і завданню. Для цього розглянуто стан питання з обраної теми дослідження, наведено огляд опублікованих наукових праць за досліджуваною трибологічною проблемою. Аналіз праць показав, що інтенсивність зношування вільним та закріпленим абразивами залежить від багатьох факторів. Серед них до найбільш значущих необхідно віднести механічні властивості тертьової поверхні та абразивних частинок, нормальне навантаження, тривалість тертя, швидкість ковзання, геометричні параметри абразиву, робоче середовище тощо.

Велику роботу в галузі досліджень механізму абразивного зношування виконали німецькі (В.Тонн, Х.Чихос), російські (М.М.Хрущов, М.А.Бабичев, В.М.Виноградов, Г.М.Сорокін), англійські (Д.Арчард, Д.Хірст) та американські (Е.Рабинович) вчені. Результати їхніх досліджень можна узагальнити таким співвідношенням для оцінювання зносу:

(1)

де h – лінійний знос; L – шлях тертя; Р – питоме навантаження; К – коефіцієнт пропорційності; РТ – тиск текучості.

Деякі вчені (М.М.Хрущов, Г.М.Сорокін та ін) вважають, що в механізмі зношування вільним та закріпленим абразивами лежить міцністна основа, яка являє собою суперпозицію двох опорів – опору деформування та опору руйнування. Виходячи з цього абразивний знос слід вважати результатом реалізації двох взаємозв‘язаних процесів – процесу деформування та процесу руйнування.

Проблема взаємозв‘язку процесів деформування та руйнування – це одне з найскладніших питань в галузі досліджень абразивного зношування. Огляд теорій абразивного зношування показав, що у постановці та розв‘язанні цього питання у всіх теоріях використовуються статичний підхід. Цей підхід грунтується на класичному вченні про міцність, яке побудовано на уявленнях про континуум матеріалу. У разі навантаження тертям такого матеріалу взаємозв‘язок між руйнуванням та деформуванням розглядається однобічно: враховується лише вплив процесу деформування на розвиток руйнування за припущення, що деформування в цьому взаємозв‘язку є провідним, визначальним процесом, а руйнування – веденим, залежним від деформування процесом. Вплив пластичної деформації на руйнування матеріалів може бути подвійним: з одного боку, пластична деформація сприяє розвитку руйнування на початковій стадії утворення зародків тріщин, з другого боку, вона може перешкоджати їх зростанню, тобто гальмувати останню стадію руйнування.

Слід зазначити, що жоден з відомих конструкційних матеріалів моделі континууму не відповідає. Однак, на думку авторів теорій, ступінь цієї невідповідності має такі межі, які дозволяють застосувати до них класичне вчення про міцність. Зважаючи на те, що існуючи теорії абразивного зношування створювались у середині ХХ століття, коли у вузлах тертя застосовували переважно традиційні конструкційні матеріали, статичний підхід до питання про зв’язок між деформуванням та руйнуванням на той час був цілком виправданим.

Ознакою використання статичного підходу є застосування твердості матеріалу як тиску текучості РТ у співвідношенні (1). Сучасний рівень теоретичних досягнень найбільшою мірою відображає теорія М.М.Хрущова і М.А.Бабичева, яка грунтується на результатах досліджень, що узагальнені у вигляді діаграми “відносна зносостійкість е – твердість HV”.

Згідно з цією теорією відносна зносостійкість конструкційних матеріалів лінійно зростає зі збільшенням твердості. Однак аналіз діаграми показує що однозначного зв’язку між абразивною зносостійкістю та твердістю матеріалів немає, що суперечить цій теорії.

Сучасні та перспективні триботехнічні матеріали (білі чавуни, евтектичні сплави, макрогетерогенні композити тощо) слід розглядати як дисконтинуум, оскільки вони не відповідають моделі континууму такою мірою, що нехтувати цим фактором неможливо. Класичне вчення про міцність для них не є прийнятним. Ця обставина багато в чому може пояснити парадокс сучасних літературних джерел про абразивне зношування, коли автори праць, посилаючись на теорії абразивного зношування (найчастіше теорію М.М.Хрущова і М.А.Бабичева), відзначають різноманітні відхилення від них, причому це характерно не лише для композитів, але також і для традиційних конструкційних матеріалів. До найбільш суттєвих відхилень слід віднести дані М.М.Брикова, які ставлять під сумнів сам вигляд діаграми М.М.Хрущова і М.А.Бабичева тому, що факти лінійності функцій е = f (HV), а також розходження їх віялом у міру збільшення вмісту вуглецю у сталях не отримали експериментального підтвердження. Збільшення і нагромадження таких фактів у літературі свідчать про неадекватність статичного підходу до питання про взаємозв’язок деформування та руйнування, а отже, потребують пошуку принципово іншого підходу до його розв’язання. Зокрема, перспективним може бути кінетичний підхід, що грунтується на кінетичному вченні про міцність. Згідно з цим підходом, під час навантаження тертям у поверхневому шарі матеріалу одночасно співіснують два різні кінетичні процеси – деформування і руйнування, які чинять взаємний вплив на розвиток один одного. Однак для оцінки його придатності необхідні спеціальні дослідження.

У роботі таке оцінювання виконано на прикладі зношування замкових з’єднань труб бурильної колони у свердловині (рис. 1, 2). Вибір цього вузла тертя зумовлено такими факторами: по-перше – проблема абразивного зносу і захисту для нього є особливо актуальною; по-друге, він є характерним прикладом вузлів тертя, що працюють одночасно в умовах зношування закріпленим (у відкритому стволі свердловини) і вільним (в обсадному стволі свердловини) абразивами; по-третє – схема тертя вузла (схема стирання диском лунки на плоскій поверхні зразка) збігається з класичною схемою досліджень абразивного зношування, яку застосовано також у дисертаційному дослідженні, що дозволяє результати лабораторних експериментів переносити безпосередньо на реальний об’єкт. У зв’язку з цим виконано детальний аналіз умов експлуатації, конструктивно - технологічних особливостей, зносу та методів захисту труб нафтового сортаменту для їх уточнення та узагальнення.

Питання про зв’язок між процесами деформування та руйнування в умовах абразивного зношування вивчали шляхом комплексного підходу, який грунтується на моделі досліджень, що охоплює феноменологічні дослідження, дослідження з використанням прямих методів, дослідження природи процесів деформування та руйнування, а також дослідження з визначення провідного процесу. Для реалізації такої моделі досліджень було розроблено потрібне технічне та методичне забезпечення.

У другому розділі розглянуто результати розроблення технічного забезпечення експериментальних досліджень. Для проведення лабораторних триботехнічних досліджень сплавів замкових з’єднань та обсадних труб розроблено спеціальну методику.

Рис. 3. Схеми лабораторних триботехнічних досліджень, що моделюють роботу замкових з’єднань у стволі свердловини: а – в обсадному стволі свердловини зі сталою площиною контакту;б – в обсадному стволі свердловини зі змінною площиною контакту;в – у відкритому стволі свердловини (Р – навантаження;V – швидкість ковзання)

Досліджувались пари тертя за схемою “диск-колодка”, що імітує роботу бурильних замків в обсадному та відкритому стволах свердловини (рис. 3). У комплект обладнання стенда для триботехнічних досліджень входили модернізована машина тертя СМЦ-2, система вимірювання та реєстрації моменту тертя, система вимірювання та реєстрації лінійного зносу, а також система підведення та регулювання витрат робочої рідини.

На поверхню тертя дисків наплавляли сплави 80Х20РЗТ, 250Х10Б8С2, 350Х10Б8Т2 і макрогетерогенний композит, що за своїм складом є представниками трьох різних груп класу зносостійких сплавів: сталей, білих чавунів та композитів. Матеріали вибирали з урахуванням рекомендацій щодо умов застосування наплавлених деталей, а також практики зміцнення замкових з’єднань бурильних труб. Диски наплавляли плазмовим методом за допомогою напівавтоматичного верстата УД-417. Колодки виготовляли з нормалізованої сталі 45, а також шліфувального круга 62С40СМ1К ПП250х25х75 із зернами карбіду кремнію зеленого КЗ. Режими триботехнічних досліджень відповідали існуючим в реальних умовах експлуатації бурильних труб.

Фізичну природу процесів деформування та руйнування в умовах абразивного зношування вивчали через дослідження питомого електричного опору сплавів електромагнітним методом. Для цього було створено спеціальну випробувальну установку (рис.4) на основі вимірювального автогенератора, яка дозволяє оцінювати стан поверхневого шару зношеного сплаву за двома параметрами за такими вимірювальними каналами: частотним f, що фіксує зміну індуктивності коливального контура автогенератора та амплітудним А, що вимірює зміну активного опору контура.

Рис. 4. Установка для визначення електромагнітних властивостей поверхневого шару сплавів: І – частотний (f) канал; ІІ – амплітудний (А) канал; ВАГ – вимірювальний автогенератор; ЗО – змішувальний обмежувач; ЧД – частотний детектор; П – підсилювач

Датчиком автогенератора була електровимірювальна котушка на феритовому осерді підковоподібного типу. Робоча частота установки близько 100 кГц. Принцип дії установки полягає в оцінюванні змін амплітуди та частоти коливань автогенератора, які відбуваються в результаті зміни стану поверхневого шару сплаву під час абразивного зношування.

У третьому розділі дисертації розглянуто теоретичні передумови створення нової концепції абразивної зносостійкості, яка грунтуєтьсян на реолого-кінетичному підході до зв’язку між процесами руйнування та деформування. Такий підхід є результатом суперпозиції та застосування у діалектичній єдності реологічного та кінетичного підходів до описування абразивного руйнування поверхні.

Реологічний підхід розглядає руйнування не як статичну критичну подію, а як кінетичний процес, що розвивається у часі. З погляду кінетичного підходу руйнування – це процес нагромадження у часі актів термофлуктуаційних розривів міжатомних зв’язків. Отже, між цими підходами існує тісна ієрархія на рівні понять, що стало підставою для їх суперпозиції.

Основу концепції складають розроблені фізична модель абразивного руйнування та розрахункові моделі абразивного зносу і зношувальної здатності.

Фізична модель абразивного руйнування, що була запропонована, є результатом синтезу сучасних знань про механізм абразивного зношування, а також механіки, кінетики, реології та фізики руйнування матеріалів. Основна ідея цієї моделі зводиться до такого.

Вважається, що розрахунковою моделлю реального сплаву є дисконтинуум, у якому провідна роль належить поверхневим вертикальним клиноподібним тріщинам, що містяться у вихідному сплаві, а також утворюються в ньому у процесі зношування.

Під зовнішньо силовою дією абразивної частинки на поверхню зношування біля вершини кожної тріщини з’являється пластична зона (рис.5). Отже, можна припустити, що при абразивному зношуванні у поверхневому шарі матеріалу одночасно співіснують два процеси - процес руйнування та процес деформування. Між цими процесами існує взаємозв’язок, який ґрунтується на уявленнях про руйнування як про кінетичний процес.

Пластичні зони біля вершин тріщин чинять суттєвий вплив на напружено-деформований стан та руйнування матеріалу. Тому, розглядаючи граничний стан поверхневого шару з тріщинами важливо проаналізувати пластичну зону біля вершини тріщини. На рис.5 показано розподіл основних напружень уy, що діють перед вершиною тріщини при плоско деформованому стані згідно оцінювання пластичної зони на основі балансу навантажень. Безпосередньо у вершині тріщини напруження дорівнюють межі текучості ут сплаву, після чого в межах пластичної зони відбувається різке підвищення напруження до ефективної межі текучості 3ут. Окрім основних напружень у пластичній зоні виникають залишкові напруження, що спричинені збільшенням об’єму сплаву у пластичній зоні та її нагріванням при зношуванні.

Отже, під час навантаження тертям напруження на межі пластичної зони зумовлюються суперпозицією основних та залишкових напружень.

Рис. 5. Схема руйнування під час переміщення абразивної частинки по зношуваній поверхні: 1 – первинна бокова тріщина; 2 – пластична зона первинної бокової тріщини; 3 – вторинна бокова тріщина; 4 – пластична зона вторинної бокової тріщини; 5 – зона розтягування сплаву; 6 – пластична зона вертикальної клиноподібної тріщини; 7 – вертикальна клиноподібна тріщина; 8 – абразивна частинка; 9 – зона стискання сплаву; 10 – сплав; 11– крива розподілу напружень у пластичній зоні вертикальної клиноподібної тріщини; N –нормальне навантаження; V –швидкість переміщення абразивної частинки; уТ – границя текучості; уУ – напруження перед вершиною вертикальної клиноподібної тріщини; h – лінійний розмір зразка; hд – лінійний знос; hпд – товщина пластично деформованого шару

Після розвантаження сплаву основні напруження зникають, а залишкові продовжують діяти. У результаті на межі пластичної зони виникають первинні бокові горизонтальні тріщини (рис.5). Навколо вершин цих тріщин з’являються власні пластичні зони з відповідними полями залишкових напружень. Під дією останніх тріщини збільшуються і в кінцевому підсумку на межі їх пластичних зон вторинні бокові тріщини. На відміну від первинних, вторинні бокові тріщини спрямовані вертикально. Для механізму абразивного руйнування зміна напрямку бокових тріщин має принципове значення, оскільки завдяки цьому створюються можливості для відокремлення частинок зносу від робочої поверхні, а також утворення клиноподібних тріщин у нижньому шарі сплаву. Зазначений спосіб відокремлення частинок зносу від робочої поверхні не слід розглядати як єдино можливий. Окрім цього, відокремлення частинок можливе в разі викривлення траєкторії руху первинної бокової тріщини, злиття бокових тріщин між сусідніми клиноподібними тріщинами тощо. Таким чином, відповідно до запропонованої фізичної моделі абразивне руйнування – це послідовність відокремлення частинок зносу, які утворюються в процесі розвинення первинних бокових горизонтальних тріщин до їх перетину з робочою поверхнею, вторинними боковими тріщинами або вертикальними клиноподібними тріщинами.

Для побудови розрахункової моделі зносу в умовах тертя по початково закріпленому абразиву для розгляду напружено-деформованого стану поверхневого шару виділяли дві динамічні системи – локальну та загальну. Локальна система визначає контактну взаємодію одиночної абразивної частинки зі сплавом, а загальна – кількість одиночних взаємодій.

Локальна система. Форму абразивної частинки апроксиміювали овалоїдом Кассіні. Виходячи з механізму зовнішньої силової взаємодії, абразивну частинку уявляли у вигляді консольної балки з опорою типу жорсткої закріпини, що навантажена системою осьових та поперечних сил (рис.6).

Рис. 6. Схема навантаження початково закріпленої абразивної частинки: Nз – нормальна реакція закріпини; Fз – тангенціальна реакція закріпини; Мз – реактивний момент закріпини; Nа – нормальне навантаження на абразивну частинку; Nз – нормальна реакція зношувальної поверхні; Fа – тангенціальне навантаження на абразивну частку; R – радіус абразивної частинки у закріпині, r – радіус виступу абразивної частинки, а – напівширина плями контакту, ha – глибина занурення абразивної частинки у зношувану поверхню.

Рівняння рівноваги балки були такими:

1. N3 + Nд – Na = 0, (2)

де Na – нормальне навантаження на абразивну

частинку;

N3 – нормальна сила реакції закріпини

Nд – реакція сплаву на занурення абразивної

частинки.

Оскільки після занурення абразивної частинки встановлюється баланс нормальних сил, то Nд = Na.

Тому

N3 = 0, (3)

2. Fа – F3 = 0 (4)

де Fа – тангенціальне консольне навантаження абразивної частинки;

F3 – тангенціальна сила реакції закріпини.

Звідки

Fа = F3, (5)

3. –М3 + Fа(R + r) = 0 (6)

Звідси

М3 = Fа(R + r), (7)

де М3 – реактивний момент закріпини;

R;r – великий та малий радіус абразивної частинки.

У рівнянні (5)

Fа = фдА2, (8)

де фд – тангенціальне напруження на плямі контакту;

А2 – площина повздовжнього перерізу плями контакту.

Тангенціальне напруження на плямі контакту дорівнювало

фд = fуа, (9)

де f – коефіцієнт тертя;

уа – нормальне напруження на плямі контакту.

Під час взаємодії абразивної частинки із сплавом нормальне навантаження на плямі контакту визначали за механічними властивостями сплаву з урахуванням таких положень побудованої фізичної моделі абразивного руйнування: 1) розрахунковою моделлю сплаву є дисконтинуум, 2) між процесами руйнування та деформування існує кінетичний зв’язок. Оскільки на межі пластичної зони, де виникають первинні бокові горизонтальні тріщини, діюче напруження було найбільшим і дорівнювало ефективній межі текучості 3ут, то для нормального напруження на плямі контакту припускало, що

уа=3ут=3=1,2, (10)

де - в’язкість руйнування сплаву тертьової поверхні;

- товщина пластично деформованого шару тертьової поверхні.

Площину поздовжнього перерізу плями контакту визначали як

, (11)

де - напівширина плями контакту;

- глибина занурення абразивної частинки у сплав.

Після підстановки формул (10),(11) вираз (8) записали так:

(12)

З урахуванням виразу (12) рівняння (7) набуло вигляду

(13)

Максимальну глибину, на яку занурювалась абразивна частинка, обмежували тією глибиною занурення, яка відповідала руйнуванню частинки

, (14)

де - навантаження руйнування частинки.

Умовою руйнування частинки було

, (15)

де - максимальне напруження у небезпечній точці кореневого перерізу частинки;

- межа міцності на стискання матеріалу частинки.

Умову (15) записали у такому вигляді

, (16)

де - момент опору кореневого перерізу частинки;

- площина поперечного перерізу частинки у закріпині.

Звідки

(17)

сила реакції сплаву на занурення в нього абразивної частинки

, (18)

де Sr= - площина поперечного перерізу плями контакту.

Після підстановки рівнянь (17),(18) у вираз (14) отримали

(19)

Тут (20)

(21)

де D – діаметр абразивної частинки у закріпині.

Після підстановки формул (13), (20), (21) у рівняння (19) та відповідних перетворень отримали

(22)

Після переміщення сплаву відносно абразивної частинки на ньому залишився слід об’ємом

, (23)

де - довжина сліду.

Під дією абразиву у сплаві одночасно існували два процеси – процес руйнування і процес деформування. Тому утворений слід був результатом їх одночасної реалізації

, (24)

де - об’єм зруйнованого сплаву;

- об’єм деформованого сплаву.

Відносна частина зруйнованого сплаву у сліді характеризувалась коефіцієнтом руйнування

(25)

Звідки об’єм зруйнованого сплаву у сліді був

(26)

Загальна система. Рівняння динамічної рівноваги записали так

, (27)

де – питома кількість абразивних частинок;

– питоме навантаження.

Звідки з урахуванням рівнянь (18) та (22) отримали

(28)

Тоді рівняння зносу під дією абразивних частинок на елементарному шляху тертя записали у вигляді

(29)

де – загальна кількість абразивних частинок;

S – площина зношуваної поверхні.

Додаючи рівняння (29) один до одного отримали рівняння об’ємного зносу на шляху тертя L

(30)

де =0,2 – коефіцієнт.

Рівняння лінійного абразивного зносу на шляху тертя L записали так

. (31)

де - загальний коефіцієнт у процесі зношування по початково закріпленому абразиву;

- реологічний параметр при зношуванні по початково закріпленому абразиву.

У близькій до вище описаного способу, але з урахуванням специфіки контактної взаємодії, яка виражалась у шаржуванні абразивом та втомлювальному руйнуванні стираної поверхні також було побудовано розрахункову модель зношувальної здатності сплавів при терті ковзання за наявності початково вільного абразиву в зазорі трибоспряжень

(32)

де - коефіцієнт в умовах зношування по початково вільному абразиву;

- товщина пластично деформованого шару сплаву стираної поверхні;

- в’язкість руйнування сплаву стираної поверхні;

- відносне видовження сплаву стираної поверхні;

tk – коефіцієнт втоми сплаву стираної поверхні ;

- реологічний параметр в умовах зношування по початково вільному абразиву.

У моделях (31) та (32) тиск текучості , виражено через реологічні параметри та . Тому за своєю структурою вказані моделі збігаються з узагальненою моделлю (1), незважаючи на те, що отримані вони із застосуванням різних підходів. Якщо припустити, що розрахунковою моделлю сплаву буде не дисконтинуум, а континуум, то (де - межа текучості; Н - твердість), тобто буде відповідати моделі (1). Таким чином маємо підстави стверджувати, що реолого-кінетичний підхід до розв’язування фундаментального питання теорії абразивного зношування про зв'язок між процесами, деформування та руйнування має більш загальний характер, ніж статичний. Він не відкидає останнього і не суперечить йому, оскільки той є його граничним випадком.

Параметри та являють собою поєднання різних реологічних властивостей, що дає підстави вважати останні важливим фактором, який впливає на величину зносу та зношувальної здатності через зміну напружено-деформованого стану шляхом реалізації процесів релаксації.

Результати розробки методичного забезпечення визначення реологічних властивостей сплавів під час їх триботехнічних випробувань розглянуто у четвертому розділі дисертації.

Процес деформування вивчали шляхом дослідження пружно-пластичних властивостей поверхневого шару сплавів. Для цього були розроблені триботехнічні методи визначення модуля пружності, пружної деформації та товщини пластично деформованого шару.

В основу методу визначення модуля пружності покладено закони теплової динаміки тертя, згідно з якими розрахунок модуля пружності виконували за формулою

(33)

де – коефіцієнти теплопровідності матеріалу колодки і диску; – висота колодки; – модуль пружності матеріалу диска і колодки; – радіус диска; – коефіцієнт нестаціонарності теплового потоку.

З урахуванням відомої формули для результуючих напружень тертя та формули (33) пружну деформацію колодки та диска можна визначити за формулами:

(34)

(35)

де – нормальне навантаження; – площа контактної взаємодії; – коефіцієнт тертя; , – пружна деформація колодки та диску.

Метод визначення товщини пластично деформованого шару грунтується на гіпотезі про пружно-пластичний характер деформування матеріалу протягом всього часу навантаження, відомій з праць Д. Дженска, А.А. Бочвара, М.М. Давиденкова, І.А. Одінга та ін.

Аналіз кривої деформування з урахуванням рівнянь (33-35) приводить до таких формул для визначення товщини пластично деформованого шару колодки та диска:

(36)

(37)

де – робоча висота колодки; – лінійний знос колодки; – робочий радіус диска; , – лінійний знос колодки та диска; , – коефіцієнти релаксації модуля пружності колодки та диска; , – початкові висота колодки та радіус диска.

Процес руйнування вивчали шляхом дослідження лінійного зносу та в’язкості руйнування. Для визначення в’язкості руйнування був розроблений триботехнічний метод, в основу якого покладено формулу Ірвіна. В цій формулі модуль пружності визначали за формулою (33), а питому поверхневу енергію - модернізованим методом “абразивного шліфування”, відомим з праць В.Д. Кузнєцова. Підсумкова формула для визначення критичного коефіцієнту інтенсивності напружень має вигляд:

(38)

де – шлях тертя; – розмір частинки зносу; – коефіцієнт Пуасона; – коефіцієнт.

П’ятий розділ дисертації присвячено експериментальному вивченню закономірностей зношування сплавів в умовах тертя по початково закріпленому абразиву, а також зношувальної здатності під час тертя по початково вільному абразиву між