Троппи-эффект - Troppy effect - Wikipedia

Троппи-эффект - явление образования нерегулярных остаточных поверхностных волнообразных повреждений в результате нестационарного процесса циклической упругопластики деформация в зоне контакта при прокатке трение. Это открыто и изучено профессором Сосновский Л. А. с персоналом в рамках Трибофатика.[1][2][3][4][5][6][7][8]

Физика явления

Эффект вязкости является результатом потери устойчивости движения ролика по валу из-за накопления остаточных износо-усталостных повреждений при нагрузках, превышающих предел усталости качения. Потеря устойчивости движения характеризуется самовозбуждением вибрации в системе ролик / вал и сопровождается упругопластической деформацией тел в зоне контакта. При определенных условиях это приводит к возникновению нестационарного виброударного процесса с переменной частотой и многократно изменяющейся контактной нагрузкой. Это приводит к образованию на контактных поверхностях остаточных волнообразных повреждений с полубочковидными лунками, размеры которых в окружном, осевом и радиальном направлениях оказываются неодинаковыми (рис. 1). Источниками (причиной) колебаний в трех направлениях являются, во-первых, искажение геометрии контакта и, во-вторых, локальная неизотропия механических свойств материала в различных зонах контакта. Немалую роль также играют беспокойство усталость в основных направлениях (окружном и осевом) плоскости контакта.

Рисунок 1 - Типичные радиальные остаточные деформации (а) и их сканирование по окружности L= 2πр (б); c - осевые остаточные деформации

Среди многочисленных и разнообразных явлений потери устойчивости движения можно выделить те, в которых мешающие факторы движения возникают из-за сложного взаимодействия элементов (в общем случае разной природы) механической системы. Таковы, например, флаттер и шимми, описание которых дано в работах Келдыш М.В.[9]. Помимо конструктивных особенностей крыла (трепетать ) и шасси самолета (шимми), их потеря устойчивости во время движения происходит в результате особого рода взаимодействия либо с воздушным потоком (с флаттером), либо с землей (с шимми). Наравне с явлениями флаттера и шимми по сложности характера взаимодействия, тем не менее, троппи имеет существенные особенности. Во-первых, в трибофатика В системе взаимодействуют два твердых деформируемых тела. Во-вторых, для troppy история перемещений и загрузки (повреждение элементов трибофатика система), что определяет изменение условий взаимодействия во времени. Если во время флаттера и шимми мешающие факторы являются внешними по отношению к механической системе и не зависят от нее, то во время треппинга мешающие факторы определяются механическими параметрами системы, которые изменяются во время движения и повреждения. Другими словами, реализуется обратное влияние движения на возмущающие факторы.

Эффект Троппи в реальных системах

Эффект троппи можно рассматривать как фундаментальный; на практике встречаются его конкретные виды. Так, например, при определенных условиях эксплуатации рельсы и железнодорожные колеса, образуются одинаковые неравномерные повреждения обоих элементов, вызывающие сильные колебания подвижного состава, иногда поезд сходит с рельсов[10][11][12]. Такие повреждения были обнаружены, например, на рельсах трамвайных путей и железных дорог (рисунок 2). Анализ показывает, что в таких системах, как шина / дорога, аналогичные повреждения зубчатых передач возникают и в тяжелых условиях эксплуатации. Своеобразная реализация эффекта троппи - лесная или луговая тропинка; именно этот образ лежит в основе названия эффекта.

Рисунок 2 - Волнообразное повреждение рельса

Модель Troppy

Модель троппи разработана профессором С.С. Щербаковым.[5][7][8]

Следующие представления являются основой теоретического решения проблемы троппи:

  • напряжения, вызванные контактными и бесконтактными нагрузками в системе ролик / вал, действуют одновременно в одной зоне;
  • во время движения возбуждение колебаний ролика в xz, ху самолетов и вдоль z ось возможна (рисунок 3);
  • в результате потери устойчивости движения основные параметры Герц смена контактов: размеры полуосей а и б контактного эллипса наибольшее давление п0 в центре контакта схождение осей δ;
  • потеря устойчивости движения с течением времени также может быть вызвана изменением локальных механических свойств на дорожке качения;
  • в общем случае описание условий потери устойчивости движения учитывает как действие возмущающих силовых факторов, так и изменение во времени геометрических размеров в зоне контакта; эти изменения могут возникнуть в результате необратимых деформаций.
Рисунок 3 - Расчетные схемы

Система уравнений движения в условиях тропы с учетом гироскопического момента имеет вид:

Троппи f-1.jpg

куда яу, яz, яyz соответственно моменты инерции ролика относительно осей у и z и центробежный момент, i - момент инерции ролика относительно его оси вращения, а силовые коэффициенты

Троппи f-2.jpg

Согласно представленной модели, нестационарный процесс деформирования в анализируемых условиях сопровождается колебаниями всех контактных параметров, а также контактного давления.

Экспериментальное исследование

Экспериментальное исследование эффекта троппи было проведено с участием к.т.н. Тюрин С.А., Яковлев В.А.[13][14]

Эффект троппи экспериментально изучен в лабораторных условиях на машинах серии СИ при испытаниях. трибофатика системы ролик / вал на механокатковую усталость (рисунок 4, см. схему испытаний). В рабочей зоне оба циклических напряжения возникают при объемной деформации (изгиб под нагрузкой Q) и поле контактных напряжений при контактной нагрузке FN.

Рисунок 4 - Влияние погрешности изготовления вала на возбуждение тропа при механо-прокатной усталости

Испытания на усталостную механическую прокатку проводились следующим образом: трибофатика система сталь 25ХГТ (ролик) / сталь 45 (вал). Характерной особенностью этой системы было то, что прочность металла вала значительно меньше прочности ролика, поэтому при испытаниях остаточные деформации и повреждения обнаруживаются только в непосредственной близости от роликовой дорожки на валу, а размеры валика остаются практически неискаженными. Влияние погрешности изготовления вала на возбуждение следа показано на графиках рис. 4. При отклонениях Δ = 10 мкм движение валика по валу было стабильным в течение весь тестовый период. Но если производственная погрешность составляла Δ = 40 мкм, наблюдалась потеря устойчивости движения (см. Отметку 1 на рисунке 4). Развитие остаточных повреждений волнообразной формы приводит к ударно-усталостному процессу (см. Отметку 2 на рисунке 4). Этот процесс нестационарный по амплитуде и частоте. Следовательно, геометрия элементов и точность контакта являются факторами, которые в значительной степени формируют условия возникновения остаточных волнообразных повреждений во время испытаний на усталостную механическую прокатку.

В случае начального локального нарушения геометрии вала (плоское на его поверхности - см. Рис. 5) движение ролика по валу изначально практически неустойчиво. И эта неустойчивость усиливается из-за остаточного изменения размера контактной площадки и локальных свойств материала вдоль дорожки качения. Это связано с тем, что после прыжка по плоскости ролик ударяет по металлу в окрестности следующей точки 2. Далее аналогичный процесс образования волнообразных повреждений происходит уже в районе точки 3. Получается, что остаточные повреждения волнообразно перекатываются от точки к точке. Когда начинается процесс ударно-усталости, они образуются по всей длине дорожки качения за очень короткое время испытаний и становятся глубокими и широкими.

Рисунок 5 - Изменение сходимости δc осей во времени с усталостью качения вала трения (сталь 45) / ролика (сталь 25ХГТ): значения в 8 точках (1, 2, ..., 8) по окружности вала L= 2πр

Роль анизотропия механических свойств материала в различных точках по окружности вала при возбуждении колебаний в системе показано на рисунке 6. Первое сканирование окружности вала без контактной нагрузки (FN= 0) был получен после 1129 циклов вращения. Далее приводится семейство таких сканов в зависимости от значений FN и N (измерения проводились в шести отмеченных точках). Хорошо видно, что влияние анизотропии локальных свойств металла обнаруживается при FN= 100 и 200 ч после N= 50 000 циклов.

Рисунок 6 - Влияние локальной анизотропии свойств материала

Рисунок 7, а показаны фотографии остаточных поверхностных волнообразных повреждений в районе роликовой дорожки вала. В случае, когда ролик и вал изготовлены из одной стали и имеют одинаковые поверхностные свойства, остаточные волнообразные повреждения при определенных условиях испытаний образуются на рабочих поверхностях обоих элементов одновременно (см. Рисунок 7, б).

Рисунок 7 - Характер повреждения вала (а) и роликовый (б) после механо-прокатных усталостных испытаний

На рис.8 видно, что при реализации эффекта троппи в условиях экспериментов твердость поверхности дорожки качения изменяется от 330 до 450 HV, т.е. на 36%. А величина относительной пластической деформации достигает 62%.

Рисунок 8 - Остаточные волнообразные повреждения поверхности (точечные ямы почернели) (а) и распределения микротвердости по длине L= 2πр дорожки качения вала (б)

Рекомендации

  1. ^ Сосновский, Л. А. «Феномен тропы» / Л. А. Сосновский, С. С. Щарбаков // Тр. III Всемирного конгресса по трибологии [Электронный ресурс]: Вашингтон, округ Колумбия, США, 12–16 сентября 2005 г. - Вашингтон, 2005 г.
  2. ^ Сосновский, Л. А. "Феномен тропы" (CM104) / Л. А. Сосновский, С. С. Щербаков. - Материалы 7-й Международной конференции по механике контакта и износу рельсовых / колесных систем (Брисбен, Австралия, 24–27 сентября 2006 г.). - Брисбен. - 2006. - Т. 1. - С. 115–125.
  3. ^ Сосновский, Л.А. Трибофатика. Износоусталостное повреждение и его прогноз / Л.А. Сосновский // Серия: Основы инженерной механики, Springer, 2005. - С. 228–230.
  4. ^ 摩擦 疲劳 学 磨损 - 疲劳 损伤 及其 预测. L.A. - 夫斯基 著, 高 万 振 译 - 中国 矿业 大学 出, 2013. - 324 с.
  5. ^ а б Сосновский, Л. А. «Виброудар в скользящем контакте» / Л. А. Сосновский, С. С. Щербаков // Журнал звука и вибрации. - 2007. - № 308. - С. 489–503.
  6. ^ Сосновский, Л.А. Механика износостойкости / Л. А. Сосновский. - Гомель: БелГУТ, 2007. - 434 с. (на русском).
  7. ^ а б Сосновский, Л.А. Сюрпризы трибофатики / Л. А. Сосновский, С. С. Щербаков. - Минск: Волшебная книга, 2009. - 200 с.
  8. ^ а б Щербаков С.С. «Теоретические и экспериментальные исследования феномена троппи». / С.С. Щербаков // Трибофатика: учеб. VI Междунар. Симпозиум по трибофатике ISTF 2010, Минск, окт. 25 - 1 ноября 2010г.: В 2 стр. / Белорусский государственный университет; изд. доска. : М. А. Журавков (пред.) [И др.]. - Минск: Пресса БГУ, 2010. - Т. 2. - С. 233–242. (на русском).
  9. ^ Келдыш, М. В. «Шимми при движении колеса трехколесного шасси» / М. В. Келдыш // Избранные труды. Механика. - М .: Наука, 1985. - С. 491–530. (на русском).
  10. ^ Псевдоним, Дж. "Характеристики волнообразования в рельсах" / Дж. Алиас // Rail International. - 1986. Ноябрь. - С. 17–23.
  11. ^ «Борьба с ревущим рельсом путем шлифования подвижным составом» // Rail Engineering International. - 1972. Февраль-март, - Т. 2. - № 2. - С. 81–86.
  12. ^ Хэмптон, Р.Д. «Рельсовая гофра - опыт транзитных свойств США» // Р.Д. Хэмптон // Трансп. Res. Рек. - 1986. - № 1071. - С. 16–18.
  13. ^ Тюрин, С.А. Механоскатковая усталость: методы исследования и общие закономерности: Дис. ... канд. Физ.: 01.02.06 / Тюрин С.А. - Гомель: БелГУТ, 2003.
  14. ^ Яковлев, В. А. Об одном критерии предельного состояния при механокатковой усталости / В. А. Яковлев, Л. А. Сосновский, С. А. Тюрин // Современные проблемы машиностроения: Материалы междунар. научно-техническая конф. - Гомель: ГГТУ имени П.О. Сухой, 2000. - Т. 1. - С. 177–179.