Методики расчетно-экспериментальной оценки зарождения и развития усталостных повреждений в баббитовых антифрикционных слоях подшипников скольжения

Усталостные повреждения баббитовых слоев подшипников скольжения достаточно часто проявляются при эксплуатации. Поэтому актуальна цель исследования — разработка модели накопления усталостных повреждений и разрушения антифрикционных материалов и слоев подшипников скольжения. Приведены обобщенная диаграмма усталости баббитов на основе олова, включающая основные стадии усталостных повреждений, а также схема развития усталостных повреждений антифрикционного слоя подшипников скольжения. Обобщенная модель накопления повреждений и разрушения В. В. Болотина модифицирована применительно к антифрикционным материалам, содержащим сравнительно крупные элементы структуры. Для таких материалов возможно явное (прямое) моделирование процессов повреждения. Модель описывает: рассеянное накопление микротрещин (трактуемое как разрушение элементов структуры материала), зарождение и развитие системы коротких трещин, зарождение и развитие системы макротрещин до предельного состояния объекта. В модели выполняются дискретизация объема на участки с постоянными уровнями сложного напряженного состояния и дискретизации временной оси на интервалы (блоки циклов нагружения). На основе анализа результатов испытаний образцов из баббита решена задача идентификации параметров многостадийной модели накопления усталостных повреждений в этом сплаве. Использован простейший способ оптимизации — метод деформируемого многогранника. Получены параметры степенной функции зависимости скорости накопления микроповреждений от уровня напряжений. Параметры зарождения и развития системы трещин в баббитовом слое получены из анализа экспериментальных исследований сталебаббитовых образцов. Задача расчетной оценки долговечности антифрикционных баббитовых слоев потребовала разработки нового программного продукта. Программа протестирована путем сравнения долговечности испытанных на усталость подшипников-образцов, прижимаемых к вращающемуся валу циклически изменяемой нагрузкой, и расчетных долговечностей этих образцов. Расчетные и экспериментальные долговечности согласуются, что подтверждает работоспособность расчетной модели.

1. Дриц М. К. Влияние структуры на свойства высокооловянистого баббита / Трение и износ в машинах: Сб. трудов. Вып. 5. — М. – Л.: АН СССР, 1950. С. 83 – 93.

2. Хрущов М. М. Усталость баббитов. — М. – Л.: Изд. АН СССР, 1943. — 140 с.

3. Lohr R., Macherauch E., Maur P. Das Verformungsverhalten der Gleitlagerung SnSb8Cu4Cd unter Zug- und Druck Beansprung sowie mittelspannungsfreier Schwingbeansprung im Temperaturbereich 20°C < T < 150°C / Tribologie, Reibung, Verschliss, Schmirung. 1982. Bd. 3. S. 241 – 262.

4. Морозов Е. М., Зернин М. В. Контактные задачи механики разрушения. Изд. 3-е. — М.: Либроком, 2017. — 544 с.

5. Wilson R., Shone E. B. The Diagnosis of Plain Bearing Failures / Int. Tribol. Pract. Aspects. Frict. Lubrical and Wear. — Amsterdam, 1983. P. 80 – 131.

6. Трощенко В. Т., Покровский В. В., Прокопенко А. В. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении. — Киев: Наукова думка, 1987. — 256 с.

7. Головин С. А., Пушкар А. Микропластичность и усталость металлов. — М.: Металлургия, 1980. — 240 с.

8. Nemec J. Zaklandi problematika spolehlivosti klurnych lozisek / Medsinarodn. symp. Kluzn. ulozeni: Zborn. predn. Vol. 2. — Bratislava, 1977. P. 921 – 939.

9. Кузьменко А. Г. Статистические уравнения подобия усталостного разрушения подшипников скольжения / Машиноведение. 1984. № 4. С. 77 – 83.

10. Кузьменко А. Г., Яковлев А. В., Зернин М. В. Методика оценки сопротивления усталости антифрикционных материалов для подшипников скольжения / Заводская лаборатория. 1984. Т. 50. № 8. С. 77 – 79.

11. Зернин М. В., Кузьменко А. Г., Савоничев П. Н. Экспериментальные исследования зарождения системы трещин в баббитовых слоях, нанесенных на стальную основу / Заводская лаборатория. Диагностика материалов 1998. Т. 64. № 1. С. 38 – 44.

12. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1984. — 312 с.

13. Лепихин А. М., Махутов Н. А., Шокин Ю. И. Вероятностное многомасштабное моделирование разрушений структурно-неоднородных материалов и конструкций / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 7. С. 45 – 54. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-7-45-54

14. Шилько С. В. Применение мезомеханики для проектирования материалов исходя из требований к деформационно-прочностным характеристикам конструкции / Вестник БГТУ. 2013. № 1(37). С. 63 – 71.

15. Люкшин Б. А., Шилько С. В., Панин С. В. и др. Дисперсно-наполненные полимерные композиты технического и медицинского назначения. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2017. — 311 с.

16. Ботвина Л. Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов. — М.: Наука, 1989. — 230 с.

17. Miller K. J. The behaviour of short fatigue cracks and their initiation. Part 1. A revier of the two recent books / Fatique on Eng. Mat. and Struct. 1987. Vol. 10. N 3. P. 75 – 91.

18. Miller K. J. The behaviour of short fatigue cracks and their initiation. Part 2. A general summary / Fatigue on Eng. Mat. and Struct. 1987. Vol. 10. N 2. P. 83 – 113.

19. Зернин М. В. Статистический принцип определения границы перерастания коротких трещин в макротрещины и реализация его для баббита на основе олова / Вестник БГТУ. 2017. № 7(60). С. 86 – 94. DOI: 10.12737/article_5a337fc1156255.5022456

20. Зернин М. В. Модели развития физически коротких и макроскопических трещин и применение их для баббита на основе олова / Вестник БГТУ. 2019. № 5(58). С. 4 – 14. DOI: 10.30987/article_5cda64cc1934b2.58791459

21. Зернин М. В., Рыбкин Н. Н., Емельянов И. А., Матюхин А. В. Реализация многостадийной модели усталостных повреждений баббита и антифрикционных слоев из него / Вестник БГТУ. 2021. № 3(100). С. 4 – 15. DOI: 10.30987/1999-8775-2021-3-4-15

22. Рудаков К. Н. UGS Femap 9.3. Геометрическое и конечноэлементное моделирование конструкций. — М.: ДМК Пресс, 2016. — 296 с.

23. Шимкович Д. Г. Расчеты конструкций в MSC. — М.: ДМК Пресс, 2017. — 700 с.

24. Рычков С. П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. — М.: ДМК пресс, 2013. — 783 с.

25. Морозов Е. М., Никишков Г. П. Метод конечных элементов в механике разрушения. — М.: URSS, 2020. — 254 с.

26. Зернин М. В. Гибридный конечный элемент для моделирования напряженного состояния у вершин трещин в трехмерных телах / Вестник БГТУ. 2017. № 6(59). С. 4 – 13. DOI: 10.12737/article_59cd76c49ad923.69778681

27. Морозов Е. М., Муйземнек А. Ю., Шадский А. С. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения. — М.: URSS, 2018. — 456 с.

28. Зернин М. В. Трещиностойкость баббита Б83 / Вестник БГТУ. 2017. № 1(54). С. 91 – 101. DOI: 10.12737/24899

29. Писаренко Г. С., Лебедев А. А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. — Киев: Наукова думка, 1976. — 416 с.

30. Зернин М. В. Экспериментальные и расчетные исследования влияния вида напряженно-деформированного состояния на усталостную долговечность баббитовых слоев подшипников скольжения / Вестник БГТУ. 2018. № 2(63). С. 71 – 81. DOI: 10.12737/article_5ac49dc737fd38.18995765

31. Зернин М. В. Анализ применимости критериев эквивалентности напряженных состояний для описания усталостного разрушения баббитовых слоев подшипников скольжения / Вестник БГТУ. 2019. № 9(82). С. 4 – 14. DOI: 10.30987/article_5d9317b223f295.08713337

32. Зернин М. В., Яковлев А. В. Кузьменко А. Г. Контактная ползучесть баббитового слоя подшипников скольжения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. № 5. С. 58 – 62.

33. Зернин М. В., Яковлев А. В. К исследованию усталостной долговечности баббитового слоя тяжело нагруженных подшипников скольжения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1997. Т. 63. № 11. С. 39 – 47.