ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Важнейшим фактором в решении проблемы обеспечения надежности изделий машиностроения является применение новых материалов различ­ного строения: слоистых, волокнистых и др.

Имеющийся в нашей стране и за рубежом опыт по реализации эффекта многослойное™ при создании крупногабаритных оболочечных конструк­ций типа сосудов давления и трубопроводов (изготовляемых путем спи­ральной навивки или последовательного наслоения на цилиндрическую обечайку тонколистового проката) свидетельствует о значительных пре­имуществах данного вида конструкционного материала по сравнению с толстолистовым монометаллом (того же сечения) и об определенных не­решенных задачах в области прочности составных слоистых тел и изделий. Однако при этом все более очевидной становится идея о том, что на совре­менном этапе развития машиностроения необходимым является переход от принципов выбора материалов при создании машин и инженерных со­оружений к ’’конструированию” материалов, т. е. в настоящее время кон­структор, создавая машину (или иной вид оборудования), не всегда может удовлетвориться свойствами имеющихся в его распоряжении традиционных материалов, производимых, например, металлургической отраслью. Взаимо­действие элементов конструкций с рабочей средой при наличии во мно­гих случаях неоднородных и нестационарных силовых, тепловых, электро­магнитных, радиационных и других полей сопровождается протеканием процессов коррозии, эрозии, трещинообразования и т. д., наиболее активно развивающихся в поверхностных слоях материала.

Поэтому применение традиционных однородных материалов для из­готовления элементов конструкций, работающих в условиях высоких параметров поверхностных и других воздействий, далеко не во всех слу­чаях может обеспечить требуемую надежность. Таким образом, в задачу конструктора должно входить определение оптимальной физической и прочностной анизотропии материала в целях обеспечения наилучшего соче­тания таких свойств, как прочность и жаропрочность, износостойкость и самозатачиваемость, низкое электрическое сопротивление, радиационная и коррозионная стойкость, упругость.

Биметаллические материалы изготовляются всеми известными метал­лургическими способами (прокатка, наплавка, прессование, экструзия, волочение, сварка трением, взрывом, импульсная электромагнитная сварка, диффузионная сварка, порошковая металлургия). Следова­тельно, важнейшая задача в области ’’конструирования” машиностроитель­ного материала — определить (в зависимости от условий работы проек­тируемого объекта) рациональный состав и число слоев, необходимое соот­ношение толщин основного металла и плакирующего слоя, уровень проч­ности межслойной связи и другие физико-механические и геометрические характеристики, обеспечивающие градиент изменения свойств по сечению материала, соответствующий характеру нагрузок, действующих на элемент конструкции.

Именно отсюда должны исходить требования к последующему метал­лургическому и технологическому решению проблемы изотовления и об­работки прогрессивных материалов, с помощью которых возможно достичь существенного повышения надежности машин при одновременном сни­жении их металлоемкости.

В Институте машиноведения исследованы некоторые перспективные типы биметаллических материалов (рис. 1). Биметаллы, представляющие собой корпусную сталь, плакированную нержавеющей аустенитной сталью, широко применяются в энергомашиностроении (плакированные корпуса реакторов, лопасти гидротурбин, теплообменники т. д.), нефтяном и хими­ческом машиностроении, оборудований для производства минеральных удобрений и пр. Применение коррозионно-стойких двухслойных сталей в химическом машиностроении позволяет экономить до 80% нержавеющей стали, причем стоимость плакированных листов ниже стоимости нержавею­щего монометалла на 50—60%. Это важнейшее преимущество биметаллов по сравнению с традиционными металлами. Методы оценки статической и циклической трещиностойкости биметаллов, разработанные в ИМАШ АН СССР, открывают новые возможности для проектирования надежных изделий из биметаллов.

Изделия из низколегированных сталей с введенными в них трещинооста - новителями из вязкого сплава специального состава обладают повышенным ресурсом. Использование данного принципа создания направленной анизо­тропии свойств оказалось эффективным для продления срока службы крупногабаритных конструкций (гидротурбин) на стадии развития трещин (рис. 2, 3). Пока проводятся работы по применению данного способа в условиях ремонта оборудования, но следует изучить возможность введе­ния трещиноостановителей уже на стадии изготовления конструкций, в ко­торых полностью избежать появления трещин при эксплуатации не удает­ся, и жестких конструктивно-технологических мероприятий, а накоплен­ный опыт позволяет предсказать наиболее вероятные участки появления и распространения трещин.

Если сварные соединения конструкционной стали подвергнуть двусто­роннему плакированию нержавеющей аустенитной сталью с помощью энер-

гии взрыва, то полученные конструктивные элементы будут обладать сле­дующими преимуществами: создаваемый при плакировании взрывом на­клеп способствует значительной разгрузке сварного соединения от возни­кающих при сварке плавлением нежелательных растягивающих напряже­ний; наличие нержавеющих слоев повышает также коррозионную стой­кость соединения. Кроме того, вязкие наружные слои обеспечивают под­крепляющий эффект и в случае развития трещин в сварном шве будут способствовать их торможению и остановке, сохраняя герметичность соеди­нения даже при длинах трещин, равных толщине основного металла.

Многослойные металлические материалы, например на основе высоко­прочного алюминиевого сплава, состоящие из наружных плакирующих и промежуточных внутренних слоев из чистого алюминия, могут быть эф­фективно использованы для торможения трещин, если объем мягких прослоек выбирается таким, что не приводит к заметному снижению стан­дартных характеристик прочности при значительном повышении трещино - стойкости.

Различные сочетания металлов и сплавов с контрастными свойствами позволяют получать соответственно элементы конструкций и детали машин, обладающие высокой износостойкостью, жаропрочностью и одновременно повышенной теплопроводностью, высокой демпфирующей способностью и другими характеристиками свойств.

Таким образом, в распоряжении конструктора должны быть указанные выше новые металлические материалы оптимального строения, при кото­ром распределение характеристик сопротивления деформированию и раз­рушению по сечению в наибольшей мере соответствует условиям нагружен - ности деталей в реальных конструкциях.

Необходимо отметить, что принципы обеспечения в материалах искус­ственной анизотропии механических свойств используются также при соз­дании гомогенных или гетерогенных квазислоистых материалов, предло­женных ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР. Эти материалы представляют про­межуточный класс между многослойными составными и плакированными монолитными материалами.

Для целого ряда отраслей эффективным является применение разнооб­разных композиционных материалов, и в частности композитов, имею­щих полимерную матрицу и армирующие непрерывные углеродные, стек­лянные, борные или органические волокна. В этом случае достигается не только снижение веса и повышение долговечности элементов конструкций, но и обеспечивается ряд специальных свойств.

В ИМАШ АН СССР разработаны новые феноменологические механи­ческие модели разрушения композитов данного класса и на этой основе определяются пути повышения надежности машин при одновременном снижении их металлоемкости; проводится оптимизации конструкций из композиционных материалов применительно к автомобилестроению, сельхозтехнике, машиностроению для животноводства и робототехнике (рис. 4).

Разработанные методы расчета деформационных характеристик и проч­ностных свойств композиционных материалов позволяют до минимума уменьшить объем необходимых экспериментальных исследований.

При проектировании изделий из композиционных материалов при-

меняются разработанные критерии предельных состояний. В частности, развитые в ИМАШ АН СССР методы нелинейной механики и компози­ционных материалов используются для более надежного предсказывания допускаемых напряжений и деформаций при оценке ресурса конструкций.

Значительный интерес представляют методы расчета и оценки ресурса конструкций из композитов с учетом тепловых эффектов при вибрацион­ном нагружении (рис. 4) краевых эффектов в разноориентированных композитах и системах металл—композит, а также способы определения концентрации напряжений, в том числе при низких температурах. Разра­ботанные методы расчета конструкций из композитных материалов позво­ляют определять собственные частоты, перемещения и напряжения в эле­ментах конструкций при случайном динамическом нагружении и, кроме того, оценивать их ресурс с учетом влияния повреждений на декремент колебаний.

Созданы методики и оборудование для усталостных испытаний высо­комодульных материалов. Расчеты на прочность при переменных нагруз­ках как по коэффициентам запаса прочности, так и при помощи вероят­ностных методов расчета требуют знания характеристик сопротивления усталости материала. Для этого разработаны оборудование и методики про­ведения усталостных испытаний композитов при растяжении, изгибе, межслойном сдвиге и смятии в мало - и многоцикловой областях. Установ­лено, в частности, что современные углепластики обладают высоким сопро­тивлением усталости по сравнению с металлическими материалами, что позволяет эффективно применять их при значительных амплитудах пере­менных нагрузок. Были выявлены статистические закономерности подобия усталостного разрушения углепластиков и разработаны предпосылки соз­дания инженерной методики оценки усталостной долговечности элементов конструкций из углепластиков.

Развитые методы оптимального проектирования конструкций их компо-

2'3аК-2 HUilii. ДУ; 17

І 'і ■■■ ■ ~ л

! ЛІТСНКЛ V 'SS. І

зиционных материалов обеспечивают существенное снижение массы и по­вышение основных технико-экономических показателей машин. Благодаря высоким удельным жесткостным и прочностным свойствам волокнистых композитов с полимерной матрицей и наметившейся тенденцией увеличе­ния их выпуска открываются большие возможности применения компо­зитов в массовом машиностроении, например в автомобильной промыш­ленности. С целью снижения стоимости изделий массового машиностроения целесообразно использование гибридных композитов — углестеклопласти - ков.

В этом случае решение задач оптимального проектирования силовых конструкций направлено на снижение металлоемкости и стоимости ком­позитных конструкций.

В ИМАЫ АН СССР разработаны универсальные алгоритмы и про­граммы оптимизации элементов конструкций из многослойных разно­ориентированных волокнистых композитов, поскольку технологическая возможность изменения числа слоев и их ориентации позволяет оптималь­но проектировать макростроение материала для заданных условий нагру­жения и функционального назначения элемента конструкции. Использо­вание разработанных универсальных программ для ЭВМ при оптимизации но массе высо конагру же иных элементов конструкций из композиционных материалов приводит к снижению их массы на 20—30%' по сравнению с ме­таллическим вариантом конструкции.

В соответствии с Межведомственной программой работ в области ком­позиционных материалов в автомобильной промышленности на 1982— 1985 гг. и до 1990 г. в ИМАШ АН СССР разработаны также универсальные методики, алгоритмы и программы для оптимизации на ЭВМ элементов конструкций автомобиля, изготовляемых из углестеклопластиков.

Снижение массы автомобиля, приводящее к экономий металла и топли­ва, — одна из главных задач, стоящих перед автомобилестроением. В конструкции автомобиля весьма металлоемкой является система под­вески с листовыми рессорами в качестве упругого элемента. Существен­ное уменьшение массы подвески возможно при переходе от многолисго- вых рессор к малолистовым. При этом одновременно можно достичь сни­жения межлистового трения и улучшения виброзащитных качеств под­вески. Наибольший эффект достигается в случае применения однолисто­вых рессор с оптимальным изменением поперечного сечения по длине рес­соры, делающим ее балкой равного сопротивления. Этим объясняется эф­фективность применения композиционных материалов в элементах листо­вой рессоры. Наряду с низким удельным весом и высокими прочностными и упругими характеристиками композиционные материалы обладают луч­шим, чем у металлов, соотношением между прочностью и модулем упру­гости.

В ИМАШ АН СССР разработана методика расчета на прочность и жест­кость малолистовых рессор (от 1 до 3 листов, в том числе с переменным параболическим сечением, оптимальным по весу). Конкретные расчеты про­ведены для многослойных рессор из стекло - и углепластика для автомо­билей ГАЗ-53, МАЗ-500, ЗИЛ-130, ЗИЛ-4104. При этом определены необ­ходимое число (1—3) и толщина листов. Исследованы возможности специ­фических видов разрушения композитной рессоры: расслоений, расщепле­ния около отверстия или в заклепочном соединении. Разработана также программа оптимизации на ЭВМ структуры армирования и толщины слоев листовой рессоры для заданных нагрузок, динамических прогибов, жест­кости и геометрических размеров конструкции рессоры. Кроме того, про­ведены расчеты на прочность и устойчивость карданного вала, намотанно­го стеклянными и углеродными волокнами с полимерным связующим. Лимитирующей характеристикой для стальных карданных валов явля­ется критическое число оборотов, которое из-за возможности появления динамической неустойчивости ограничивает допустимую длину вала. На­пример, для новой модели легкового автомобиля ГАЗ-24 не удается уве­личить длину вала до 1,5 ми приходится конструировать сложный состав­ной вал. В то же время вал из угле - и стеклопластика за счет большей удель­ной жесткости допускает увеличение длины вала при заданном числе обо­ротов и приводит наряду с решением этой технической задачи к уменьше­нию веса, повышению долговечности и к снижению шума и вибраций.

Новой областью применения композиционных материалов, как уже отмечалось, является робототехника. Здесь использование композитов обеспечивает не только прямую экономию металла, но и возможное повы­шение быстродействия вследствие снижения инерционных сил. Удельная прочность и жесткость, которые у направленно-армированных компо­зитов в несколько раз выше, чем у металлов, по сути пропорциональны ускорениям или допустимым скоростям вращения для данного материала. При этом создается также возможность снизить массу станины без потери прецезионности. В ИМАШ АН СССР проводятся изыскания вариантов за­мены элементов руки робота: скалки и гильзы пневмо - и гидроцилиндра на композитные. При правильно выбранных схемах армирования и допус­тимых толщинах тонкостенных элементов с учетом требований прочности и жесткости может быть достигнуто трехкратное снижение веса движущих­ся частей робототехнических конструкций.

Большие возможности в повышении эксплуатационных характерис­тик машин открываются при использовании новых материалов со спе­циальными свойствами. Примером таких материалов являются разрабо­танные в ИМАШ АН СССР совместно с НИИ резиновой промышленности металластики, предназначенные для использования с целью виброизоля­ции и виброзащиты элементов машин и механизмов. Металластики исполь­зуются в виде тонкостенных резинометаллических элементов, обладающих уникальными свойствами — нелинейностью и асимметрией характеристи­ки растяжение—сжатие, ортотропией жесткостей во взаимноортогональ­ных направлениях, высокой несущей способностью при малых габаритах, высокочастотной фильтрующей способностью, повышенной надежностью и ресурсом. Эти свойства обусловили широкое использование металласти - ков для разработки принципиально новых систем активной и пассивной виброизоляции машин различного назначения, узлов и деталей с обеспече­нием высокого качества конструкций [13].

Проблемы повышения надежности машин могут также решаться бла­годаря следующим мероприятиям:

применению современных методов оптимального проектирования ма­шин и конструкций на базе системного многокритериального подхода и использования систем автоматизированного проектирования (САПР), объединяющих в одно целое средства автоматизированной обработки проектной информации на малых ЭВМ с задачами, решаемыми на больших ЭВМ;

разработке мероприятий, направленных на совершенствование узлов трения и деталей, ресурс которых лимитируется состоянием их рабочих поверхностей. Это осуществляется внедрением прогрессивных упрочняю­щих обработок, принципиально новых видов смазки, фрикционных и ан­тифрикционных материалов;

созданию и использованию методов и средств оценки напряженно - деформированных состояний, реальной нагруженности, контроля и диаг­ностики машин на стадиях проектирования, производства, испытаний, до­водки и эксплуатации;

разработке и использованию не имеющих аналогов приборов для научных исследований, расширяющих экспериментальные возможности исследовательских и заводских лабораторий.

Ниже приведены некоторые примеры результатов исследований и раз­работок, ускоренное практическое использование которых тем или иным образом помогает найти и осуществить кардинальные решения многих проблем и задач совершенствования машин й конструкций.

На стадии проектирования для решения различных задач оптимизации конструкций большое значение в последнее время приобретают вероятност­ные методы расчета надежности и долговечности элементов машин [1—3]. При этом, в частности, используется функция распределения долго­вечности детали машины, характеризующая зависимость между вероят­ностью разрушения (или износа до предельного значения) и наработкой в условиях эксплуатации. Знание этой функции позволяет устанавливать так называемые медианный и 7-процентный ресурсы, сроки между капи­тальными ремонтами, объем выпуска запасных частей и ремонтных работ и т. д. В результате оценки этой функции для различных конструктивно­технологических решений определяются оптимальные варианты, позволяю­щие повысить надежность и долговечность при одновременном снижении металлоемкости машин.

Использование на стадиях проектирования и доводки опытных экземп­ляров машин разрабатываемых в ИМАШ АН СССР новых вероятностных методов расчета надежности и долговечности, как показала практика МосавтоЗИЛа, ВНИИстройдормаша, ВИСХОМа и других предприятий и организаций, позволяет выявлением оптимальных конструктивно-тех­нологических решений использовать значительные резервы совершенство­вания машин и конструкций.

В целях расширения сферы применения вероятностных методов прове­дена большая работа по их унификации, которая заканчивается разработ­кой стандартов и методических указаний, регламентирующих расчеты и

испытания на отдельных этапах определения надежности п долговечности машин при циклическом нагружении.

Основные направления снижения коэффициентов запаса прочности и металлоемкости при одновременном повышении надежности и долго­вечности были освещены ранее в работе [4].

Резервы повышения износостойкости узлов трения машин заклю­чаются в следующем:

конструкторско-технологической оптимизации, направленной на созда­ние микрорельефа сопрягаемых поверхностей, удерживающего смазку, а также на обеспечение упрочнения поверхностного слоя;

создании новых и совершенствовании имеющихся смазочных материа­лов и материалов с заранее заданными физико-механическими и фрикцион­ными свойствами;

применении газовой смазки разделением трущихся поверхностей тончайшей воздушной пленкой;

использовании для весьма тяжелонагруженных узлов принципиально новых видов магнитоактивных твердых смазок, транспортируемых в зо­ну трения с помощью магнитных полей и предохраняющих сопряжение поверхности от износа и схватывания в экстремальных условиях, когда жидкие и пластичные смазки не могут работать вследствие их испарения и разложения под действием высоких температур.

Выполнение в ИМАШ АН СССР фундаментальные, теоретические и экспериментальные исследования в области трения и изнашивания [5—9] позволили установить закономерности изменения фрикционно-износных свойств материалов в зависимости от условий эксплуатации и предложить методы расчетов на трение и износ, оценки интенсивности поверхностного разрушения твердых тел при трении и методы определения триботехни­ческих средств контактирующих поверхностей. В частности, по резуль­татам этих исследований были научно обоснованы технологические воз­можности повышения износостойкости путем управления микрогеомет­рией поверхности при алмазном выглаживании, вибрационном обкатыва­нии и других методах, создающих в условиях достижения ’’равновесной шероховатости” благоприятный микрорельеф, имеющий масляные кар­маны, а также разработаны другие эффективные методы борьбы с изно­сом. При этом было показано, что в борьбе с износом значительные резер­вы заключаются в создании (использовался весь арсенал технологических средств) износостойких поверхностных слоев.

К перспективным способам решения триботехнических проблем надеж­ности машин следует отнести использование вакуумно-плазменных мето­дов, которые могут осуществляться с участием как физических, так и химических процессов. В последнем случае в поверхностном слое вслед­ствие протекания плазмохимических реакций при определенных условиях образуются новые соединения, что обеспечивает получение покрытий из самых разнообразных материалов в различных их комбинациях [11].

Выполненные в ИМАШ исследования деталей с покрытиями на основе нитрида титана, нанесенными с помощью метода конденсации при ионной бомбардировке и реактивно-плазменного метода, показали их высокие служебные свойства. Этим подтверждена целесообразность применения названных методов для создания покрытий на окончательно обработан-

ных деталях точных подвижных и неподвижных (разборных) сопряжений. На основе дисульфида молибдена с помощью этих методов могут соз­даваться как твердые износостойкие, так и антифрикционные покрытия с очень низкими значениями коэффициента трения.

Значительные возможности повышения надежности узлов трения от­крываются при использовании лазерных излучений для направленного из­менения фрикционных свойств поверхностей трения. Посредством лазерной обработки осуществляется закалка поверхности, наплавка износостойких покрытий, легирование поверхностного слоя.

Лазерная закалка, например, перспективна для использования в качест­ве финишной операции в технологическом потоке, поскольку объем дово­дочных операций при этом может быть сведен до минимума или вообще ис­ключен.

В ИМАШ АН СССР были проведены сравнительные испытания на износ упрочненных чугунных и стальных образцов, подвергнутых лазерному уп­рочнению и химико-термической обработке по штатной технологии (азо­тирование) .

Образцы испытали на износ на машине трения СМЦ-2 при трении сколь­жения со скоростью и = 1,3 м/с по схеме диск—колодка со смазкой М14Г2. Для сопоставления результатов испытаний в качестве показателя износостойкости принята проведенная величина изнашивания Jp, МПа-1, представляющая отношение интенсивности изнашивания к номинальному давлению на контакте.

Как следует из табл. 1, лазерная закалка существенно повышает изно­состойкость поверхностей.

Необходимо отметить, что при этом, как показали испытания крупнога­баритных образцов, проведенные совместно с ПО ’’Коломенский завод, правильно выбранные технологические режимы лазерной обработки не приводят к снижению усталостной прочности. Это — важное обстоятельст­во, его следует учитывать при использовании всех видов поверхностных упрочняющих технологий. В случае обезуглероживания поверхностного слоя, появления шлифовочных прижогов, при ’’обрыве” закаленного слоя в зоне концентрации напряжений, перенаклепе, а также при значитель­ном оплавлении поверхности, приводящим к образованию большого коли­чества дефектов и ухудшению качества поверхностного слоя, может наблю­даться снижение выносливости. Тем самым еще раз подтверждается це­лесообразность осуществления комплексного подхода к проблеме повы­шения надежности машин и механизмов.

Эффективная реализация в машиностроении возможностей, откры­ваемых при использовании лазерной обработки, требует разработки спе­циальной быстро переналаживаемой технологической оснастки.

В этом направлении в ИМАШ выполнены соответствующие разработки, в результате которых создан лазерный технологический комплекс ЛТК-01, состоящий из С02-лазера непрерывного излучения мощностью до 5 кВт (ЛТ-1) и технологического поста с программным перемещением лазерно­го луча относительно обрабатываемой детали в системе прямоугольных координат. Технологический пост снабжен оригинальным сканатором, обеспечивающим развертку луча с частотой до 200 Гц. Сканирование луча позволяет за счет более рационального использования энергии, излучения увеличивать производительность обработки примерно на 30—40%.

Особенно эффективны сканаторы при работе лазеров с выходной мощ­ностью более 2 кВт. Такие комплексы перспективны для монтирования их в гибких автоматизированных производствах.

В ИМАШ АН СССР определены показатели по износостойкости поверх­ностей с армирующими дорожками, полученными при разных технологи­ческих режимах лазерной закалки. Выявлено влияние на износ ориента­ции дорожек и расстояния между ними. Составлена методика расчета из­носостойкости втулок в безразмерных параметрах, позволяющая учесть влияние на износ абсолютных размеров втулки, скорости движения порш­ня, упругости колец, индикаторной диаграммы, механических и фрикцион­ных свойств материалов.

На основании этого представилось возможным рекомендовать лазерную закалку цилиндровых втулок двигатедей внутреннего сгорания всех типов, особенно тяжелых дизелей, что обеспечит значительное увеличение их ре­сурса.

Проведенные исследования показали, что лазерная обработка чугунных деталей зерноуборочных комбайнов позволяет в 2-3 раза, и более увели­чить их ресурс. Например, упрочненная лазером ступица среднего диска вариатора хода прошла стендовые, полигонные и полевые испытания, по­казавшие значительное (до 10 раз) увеличение износостойкости.

Следует отметить, что лазерная обработка приводит к существенному уменьшению коэффициента трения и повышению задиростойкости и изно­состойкости поверхностей. Дополнительным резервом повышения на­дежности и ресурса деталей, подвергнутых лазерному упрочнению, является наличие сжимающих напряжений в приповерхностных слоях.

Кроме того, лазерной обработкой отдельных участков деталей можно существенно снизить скорость распространения трещин при малоцикловом нагружении. На рис. 5 показаны образцы, на которых были исследованы скорости развития трещин до (верхний образец) и после лазерной обра­ботки (нижний).

Результаты исследований влияния лазерной упрочняющей обработки на комплекс свойств материалов и элементов конструкций служат базой поиска перспективных областей и разработки предложений для крупномас­штабного внедрения в производство новых технологических процессов, обеспечивающих повышение ресурса на основе использования этих физи­ческих методов упрочнения.

Значительным резервом повышения надежности и ресурса изделий станкостроения является использование антифрикционных, антискачко - вых покрытий для направляющих станков с малой скоростью перемеще­ния. Опыт создания и эксплуатации нового поколения станков с ЧПУ по­казал, что одной из трудностей, возникающих при их использовании, явля­ется сложность точного позиционирования обрабатывающего инструмента вследствие скачков, имеющих место при трении в направляющих суппор­та. При непосредственном участии ученых Института машиноведения АН СССР создан новый полимерный материал — транкилит, нанесение которо­го на детали машины в виде покрытия обеспечивает хорошие антискачко - вые свойства.

Материал класса транкилит прошел промышленную проверку, показав­шую, что использование этого материала открывает широкие технологи­ческие возможности при изготовлении пар трения и восстановлении ресур­са крупногабаритных деталей, подвергнутых износу.

Убедительным подтверждением эффективного использования новых материалов с уникальными антифрикционными свойствами является соз­дание металлофторопластовых подшипников для ответственных узлов машин [12]. Подшипники из этого материала, разработанного в ИМАШ АН СССР, способны эксплуатироваться без смазки и при недостаточной смазке в диапазоне температур от -200 до 300° С (при кратковремен­ной работе — до 350° С).

Ленточный материал производится на линиях непрерывного действия, а подшипники из него (свертные втулки, упорные шайбы, сферические подшипники) изготовляются с помощью простых операций штамповки. Механическая обработка резанием сведена к минимуму, а исходные мате­риалы при этом расходуются весьма экономно. Технологические про­цессы изготовления ленты и подшипников практически безотходные. Наружный диаметр металлофторопластовых подшипников в 2 раза, а мас­са в 10—15 раз меньше, чем у соответствующих подшипников качения. Кроме того, при применении металлофтороштастовых подшипников мате­риалоемкость машин и конструкций снижается за счет уменьшения габа­ритов и массы корпусных деталей.

Опыт использования этих материалов свидетельствует о высокой ра­ботоспособности подшипников в жидких средах, не обладающих сма­зочным действием (вода, бензин, керосин, спирт), и при наличии смазок. В последнем случае высокие противозадирные свойства материалов обес­печивают хорошую работу подшипников при пусковых режиаах и пере­грузках. Проведенными испытаниями показана также достаточно высо­кая радиационная стойкость металлофторопластовых подшипников.

Разработанный ленточный материал и штампованные подшипники в крупных масштабах производятся на предприятиях ряда министерств, широко применяются для повышения надежности и ресурса узлов тре­ния в конструкциях воздушных судов гражданской авиации, в изделиях машиностроения для легкой и пищевой промышленности, в автомобиле­строении и электротехнической промышленности.

Для узлов трения, работающих в экстремальных условиях, перспектив­ным является применение новых твердосмазочных материалов на основе диселенидов молибдена, вольфрама и ниобия, которые по сравнению с известными материалами на базе дисульфида молибдена обладают более широким температурным диапазоном работоспособности, повышенной износостойкостью и меньшими начальными значениями трения скольже­ния. Эти материалы могут работать в вакууме до 1000 С и на воздухе до 500-600°С.

Кардинальное решение проблемы надежности узлов сухого трения мо­жет быть достигнуто использованием магнитоактивных порошковых сма­зочных материалов, подающихся в зону смазки сравнительно слабым неоднородным магнитным полем. Проведенные в ИМАШ АН СССР иссле­дования показали, что применение магнитопорошковых методов смазки позволяет существенно увеличить ресурс механизмов, долговременно эк­сплуатирующихся в экстремальных условиях.

Использование газовой смазки в соединениях типа вал—втулка, пятна - подшипник дает возможность значительно повысить надежность шпиндель­ных узлов машин, а также точность перемещения (вращения) подвижных элементов. Использование на ПО АвтоВАЗ разработанных в ИМАШ АН СССР газовых опор в расточных головках позволило в 10-15 раз увели­чить ресурс по сравнению с лучшими образцами этого оборудования, вы­пускаемого известными зарубежными фирмами.

Решение проблемы экологии виброакустической динамики и диагнос­тики машин. Одной из проблем, требующих учета при разработке эффек­тивных путей повышений надежности и ресурса, является акустическая динамика машин, а также акустическая усталость металла и других мате­риалов. Изучение причин и источников шумовых эффектов в машинах и разработка задач динамики машин, связанных с полной или частичной лока­лизацией шумов определенных уровней, позволяет создать принципы и методы малошумного исполнения машин. Сюда следует отнести-, демп­фирование колебаний, виброамортизацию, балансировку и уравновеши­вание, качественную технологию изготовления и сборки. Основные на­правления решения этих задач изложены в работе [1]. Таким образом, проблемы надежности и ресурса не могут быть полностью решены как уже отмечалось, без учета эргономического и экологического аспектов этой проблемы.

Важным фактором, сопутствующим созданию объектов новой ієхілі - ки с их форсированными скоростями и нагрузками, является увеличение интенсивности и расширение спектра вибрационных и виброакустических полей, чему способствует, в частности, и широкое использование в про­мышленности и строительстве высокоэффективных вибрационных и виб­роударных процессов [10]. Известно, что наибольшее число отказов ма­шин вызывается не статическими, а переменными напряжениями и динами­ческими нагрузками вследствие вибрации и ударов. Из-за вибрации сни­жается несущая способность деталей, развиваются микро - и макротрещи­ны, приводящие к усталостному разрушению материалов, изменяются условия трения и износа контактных поверхностей деталей машин. Вибра­ция и шум оказывают непосредственное влияние на человека, поэтому защита человека от вибраций определяет надежность системы человек - машина—среда.

В ИМАШ АН СССР получены новые результаты по изучению функцио­нальных и физиологических возможностей человека-оператора в условиях вибрационного воздействия, определены нормы и методы создания управ­ляемых вибразащитных систем.

Проведенные в последние годы исследования поведения человека - оператора как живого звена единой биотехнической системы, подвержен­ной вибрационным воздействиям, оказали весьма существенное, если не определяющее, влияние на переход к ранее высказанной нами идее о та­ком переформировании вибрационного поля, которое не только исклю­чает влияние вибраций на живой организм, но и повышает трудовую ак­тивность в результате вибростимулирования [17, 18].

Машины высокой надежности, как уже отмечалось, должны отвечать всем требованиям эргономики и экологической чистоты. Созданные для защиты от вибраций человека-оператора новые типы пневматических сидений отличаются конструктивной простотой и унификацией. Нелиней­ность характеристик пневматического сидения позволяет добиться незна­чительного демпфирования (а соответственно и ви бро пере дачи) при малых уровнях возбуждения (что имеет место в реальных условиях на частотах 4—5 Гц и выше) и существенного демпфирования при высоких уровнях возбуждения на полу кабины. Колебания высокого уровня в кабине ком­байна, например, реализуются в низкочастотной области (2-3 Гц) и объяс­няются проявлением частоты собственных колебаний остова машины на пневмотических шинах.

Для объективного сравнения свойств различных типов сидений были проведены полевые испытания четырех типов сидений на серийном ком­байне СК-6. Данные, записанные в полевых условиях на магнитофон, в даль­нейшем были обработаны на специально созданном в ИМАШ АН СССР информационно-измерительном комплексе (рис. 6).

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что на - илучшим типом сидения следует считать гибридное пневматическое си­дение с механическим фильтром-гасителем. В этом сидении сочетаются по­ложительные свойства пневматической подвески и фильтрующие свойст­ва механической структуры, ’’вырезающие” наиболее опасную полосу частот 2—3 Гц.

Большое значение при решении проблем повышения надежности и ре­сурса имеют вопросы организации оперативного безразборного контроля технического состояния машин на основе использования новых методов и средств виброакустической диагностики [16]. Внедрение виброакусти - ческой диагностики, при которой осуществляется систематический контроль представительных параметров, характеризующих изменение

технического состояния (рис. 7), дает возможность определять момент разладки в механизме и по величине градиента изменения диагностическо­го признака устанавливать научно обоснованные сроки проведения ре­монтных работ, обеспечив тем самым переход от технического обслужива­ния по ресурсу к более прогрессивному техническому обслуживанию — по фактическому состоянию.

В ИМАШ АН СССР проведены теоретические и экспериментальные исследования, позволившие выявить закономерности изменения инфор­мационных свойств виброакустических процессов при наличии дефектов монтажа и развития деградационных явлений при эксплуатации машин. Разработанные методы обнаружения и диагностирования зарождающихся эксплуатационных дефектов основаны на анализе свойств вынужденных и собственных колебаний дефектных узлов. Проведенная при этом унифи­кация методов диагностирования дефектов на ранней стадии их развития базируется, в частности, на том, что для узлов трения (подшипники сколь­жения и качения, зубчатые зацепления и т. п.) основным деградационным эффектом, приводящим к отказу, является развитие локальных повреж­дений контактируемых поверхностей (выкрашивания, задиры, трещины). Установлено, в частности, что при всех видах дефектов развитие поврежде­ний сопровождается увеличением глубины амплитудно-импульсной моду­ляции в зоне собственной частоты дефектного узла.

В качестве примера на рис. 8 приведены спектры амплитудно-импульс­ной модуляции вибраций подшипника скольжения на собственной часто­те узла при его нормальной работе (/ — исходное состояние), при зарож-

Рис. 8. Спектры амплитудно-импульсной модуляции вибраций подшипника сколь­жения на собственной частоте узла

дении дефекта (2 — преддефектное) и развитом задире поверхностей вкладыша подшипника (3 — дефектное).

На основании проведенных экспериментальных исследований и пост­роения диагностических моделей разработаны алгоритмы и процедуры диагностирования, реализованные в системах виброакустической диаг­ностики на базе мини - и микроЭВМ.

Широкое внедрение безразборной виброакустической диагностики на машиностроительных предприятиях, а также в эксплуатационных и ре­монтных организациях в комплексе с современными неразрушающими методами контроля является важным резервом повышения качества изготовления и ремонта машин, сокращения непроизводительных про­стоев техники, расхода запасных частей и горючесмазочных материалов, трудовых затрат и капиталовложений. Переходом на этой основе от сущест­вующих методов технического обслуживания по ресурсу к техническому обслуживанию по состоянию можно значительно продлить срок службы ответственных машин и конструкций.

Разработка, создание и использование новых средств эксперименталь­ного исследования материалов и конструкций. Решение проблемы обеспе­чения надежности и ресурса изделий машиностроения, как уже отмечалось, в известной мере определяется уровнем разработки методов и средств экспериментальной оценки действительной нагруженности конструкций, напряженно-деформированных и вибрационных состояний, параметров структуры материалов, характеристак прочное™ и трещиностойкости, динамических характеристик прочное™, трещиностойкости и тела челове­ка—оператора машины при вибрационных и других воздействиях. Это обус­ловлено необходимостью повышения объема экспериментальной инфор­мации с возрастанием вероятное™ безотказной работы, которую необхо­димо обеспечить при создании ответственных конструкций. Полученная информация является весьма ценной для оценки завершенности экспери­ментальной отработки машин и конструкций при проведении лаборатор­ных и натурных испытаний, а также для определения влияния условий эксплуатации на изделия и установления остаточного ресурса конструкций.

При проектировании особо ответственных и сложных конструкций современных энергетических установок эффективно применение разрабо­танных в ИМАШ АН СССР методов и средств анализа напряженно-деформи­рованных состояний атомных реакторов и другого оборудования для оценки их прочности и ресурса. Решение задач прочности и ресурса энер­гоустановок при этом осуществляется применительно к основным стадиям их создания: проектированию, изготовлению, испытаниям и начальной стадии эксплуатации. На каждой из этих стадий проводится определение номинальных и местных напряженно-деформированных состояний с уче­том термомеханической нагруженности, а также характеристик сопротив­ления деформациям и разрушению, применяемых в энергомашинострое­нии конструкционных материалов.

Для реализации указанных выше исследований, направленных на опреде­ление нагруженности машин и конструкций на моделях, стендах и в эк­сплуатационных условиях, разработаны системы высокотемпературной и криогенной тензометрии. Эти системы включают в себя оригинальные тензорезисторы, преобразователи, ЭВМ, программное обеспечение и спо­собны работать в диапазоне температур от —269 до 700° С при различных физических воздействиях в статическом, квазистатическом и динамичес­ком режимах в диапазоне частот от 0 до 10 ООО Гц.

Разработанная ИМАШ АН СССР аппаратура для многоточечных стати­ческих, квазистатических деформаций и температур в деталях и узлах энергетического оборудования типа ТК-80 освоена и выпускается неболь­шими партиями ЦКБ уникального приборостроения АН СССР[1].

Передвижная тензометрическая лаборатория на базе автобуса, оснащен­ная тензометрической аппаратурой и ЭВМ, обеспечивает многоточечные измерения при заводских, пуско-наладочных и эксплуатационных испы­таниях атомного и теплоэнергетического оборудования.

Для реализации комплексного подхода к изучению строения и свойств металлических материалов в ИМАШ АН СССР разработана соответствую­щая аппаратура. Совместно с ПО Киргизторгмаш и ЛОМО создана уста­новка для физико-механических исследований ИМАШ-20-78, позволяю­щая проводить синхронное изучение структуры и определение свойств металлических материалов в широком диапазоне температур (от —50 до 1500°С), регистрацию изменения электрического сопротивления образца в процессе нагружения, а также запись первичной диаграммы деформиро­вания в вакууме или нейтральных защитных газовых средах (рис. 9,а). Изменения марок микроструктуры в процессе испытания фиксируются на фотопластинках или фотопленке; установка снабжена кинокамерой ’’Конвас”, в ней также предусмотрена возможность записи микроструктур­ных изменений на видеомагнитофоне. Температура образца и скорость нагружения могут изменяться по заданной программе.

Опыт использования установок типа ’’ИМАШ” ряда модификаций (ИМАШ-5С—69, ИМАШ-9—66, ИМАШ-10-68, ИМАШ-20-752) в практике научно-исследовательских и заводских лабораторий страны показал, что

Рис. 10. Внешний вид рентгеновского микроскопа МИР-3

прямые экспериментальные исследования кинетики деформирования и разрушения металлических материалов в значительной мере способст­вовали обоснованию выбора перспективных способов повышения проч­ности и трещиностойкости сталей и сплавов (посредством термомеха­нической и электроимпульсной обработки, применения защитных покры­тий, вязких вставок и т. д.), а также постановке и проведению исследова­ний по анализу влияния термовакуумных факторов космическою прост­ранства на механические свойства конструкционных материалов.

К настоящему времени выпущено более 500 установок типа ИМАШ всех модификаций, эксплуатирующихся в сотнях научно-исследовательс­ких организаций и промышленных предприятий страны.

На рис. 9, б показана схема варианта установки типа ”ИМАШ” для физико-механических исследований, в котором предусмотрена автоматизация обработки информации об эволюции деформацион­ной структуры, изменении физических (электрического сопротивления) и механических свойств испытываемых образцов машиностроительных материалов.

Для исследования микроструктуры непрозрачных для видимого света объектов миниатюрного приборостроения и машиностроения при контроле конструктивных элементов и сборки деталей малых размеров в послед­нее время нашли широкое применение рентгеновские микроскопы. В ИМАШ АН СССР при сотрудничестве с ЛНПО ’’Буревестник” разработан новый тип рентгеновского микроскопа МИР-3 с разрешением 2 мкм и увеличением 200 крат, который обеспечивает возможность работы как в режиме проекционного рентгеновского микроскопа, так и в режиме рент­геновского микроденситометра, что дает возможность автоматизировать обработку результатов эксперимента (рис. 10).

Большое внимание в ИМАШ АН СССР уделяется созданию нового

лабораторного оборудования для триботехнических испытаний материа­лов. Разработанные совместно с Ивановским ПО ’’’Точприбор” машины трения УМТ-1, 2070 СМТ-1, ИМ-58 доведены до серийного выпуска и ши­роко применяются на всех этапах рациональных циклов испытаний для по­лучения исходных фундаментальных зависимостей, используемых для выбора фрикционных материалов и проведения объективных расчетов на стадии проектирования узлов трения. Испытательная техника для оцен­ки трения, износа и смазочного действия должна широко использоваться в различных отраслях машиностроения, поскольку может стать основой для создания специальных служб триботехники, в особенности на пред­приятиях сельскохозяйственного машиностроения при разработке и про­изводстве роботов и манипуляторов и в других отраслях промышленнос­ти. Повседневное использование этого лабораторного оборудования поз­воляет на необходимом уровне оценивать качество выпускаемых материа­лов для узлов трения и предоставлять в распоряжение конструкторов необходимые данные (рис. 11).

В ИМАШ созданы и успешно используются уникальные стенды для ис­следования процессов трения, износа, смазки катящихся со скольжением тел (зубчатые передачи, кулачковые механизмы и др.), в глубоком ва­кууме и газовых средах (рис. 12), а также другое оборудование, уста­новки и приборы для исследования и контроля характеристик надежнос­ти материалов, элементов конструкций и натурных технических объектов и для установления закономерностей сопряжения функций оператора и машины.

3. Зак. 2

Следует отметить, что в ИМАШ АН СССР проводятся работы по созда­нию контрольно-измерительных машин и измерительных роботов (ИР) с учетом потребностей ГАП, в частности для крупногабаритных подшип­никовых колец, турбинных лопаток и т. д.

Созданы поисковые программы кругового обхода неизвестного про­филя плоского сечения изделия для запоминания координат точек каса­ния наконечника измерительной головки (ИГ) с изделием. При этом не требуется предварительное программирование траектории движения ИГ

Для реализации поисковых алгоритмов и программ созданы ИГ мо­дульные (отсчет отклонения от нормали) и нулевые (сигнал касания), стенды с непрерывным и дискретным слежением. Последний создан на базе робота ПУМА-560 фирмы НОКИА (Финляндия) и измерительной го­ловки ИМАШ и датчиков ВНИИ измерения (Минстанкопром). Развитие этих принципиально новых измерительных систем позволит существенно повысить надежность машиностроительной продукции.

Приведенные примеры иллюстрируют важность и эффективность разви­тия и реализации комплексного подхода к проблемам надежности и ресур­са как при проектировании и создании машин минимальной материалоем­кости (с учетом требований по условиям статической прочности, жесткос­ти, сопротивления усталости и всем видам разрушения, включая износ), так и на стадии использования (эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт) продукции машиностроения в различных отраслях народного хозяйства.