Интенсивность износа при качении (высокие контактные напряжения)

[etcartman 23]

Такая возникла задача, не могу определиться как ее решать. Суть такова - имеется стальной ролик, который перекатывается по стальной поверхности. Ролик заменяемый но надо определить ресурс (то есть в моем случае подобрать методику расчета интенсивности износа при качении). При необходимости - рассмотреть варианты с упрочнением поверхности. Сложнее обстоит с поверхностью по которой катится ролик - она не заменяемая. Но может конечно изнашиваться на какую то величину.

Осложняется дело тем что нагрузка на ролик большая (до 8000 lb) а диаметр всего около 3 дюймов. Контактное напряжение за пределами обычных лимитов (особенно если считать с закругленной поверхностью).

Система работает на открытом воздухе - масла нет.

И для ролика и для поверхности желательно иметь равномерный износ (а не питтинг и не трещины). То есть насколько я понял - в этом случае лучше не упрочнять поверхность. Но опять же для мягких сталей получаются какие то очень большие прикидочные значения интенсивности износа. Задача как мне видится очень сложная. Буду благодарен если кто то выскажется (к тому же я не специалист по этим конкретно вопросам, знаю на уровне студента и не более по книжкам)

 

PS для ролика большое число циклов, для поверхности по которой ролик катится получается не очень - можно ограничить 200 000 циклами качения.

Изменено 29 декабря 2015 пользователем etcartman

[etcartman 23]

Дополню имеющимися экспериментальными данными (для более низкого уровня контактных напряжений), порядка 1000 МПа

При подобного рода нагружении мягкая сталь (в данном случае была вообще строительная ничем не упрочненная с минимальным HB) как бы отслаивается лепестками и изнашивается помаленьку (в разумных пределах).

Как раз как описано тут http://chiefengineer.ru/tehnicheskie-discipliny/mehanika/klassifikaciya-vidov-iznosa/

В эксперименте использовался упрочненный ролик (с неизвестными характеристиками), так вот он треснул от усталости на черепки (скорее всего из-за выточки внутри).

Изменено 29 декабря 2015 пользователем etcartman

[AlexKaz 1 822]

Очень-очень мельком встречал фразу типа "расслоение ... подшипники... отрыв частиц... ресурс..." у Болотина Ресурс машин и конструкций где-то в первых трех главах, дальше не смотрел. Ну вот сейчас вижу оглавление - м.б. поможет. М.б. добавить теорию упругости Демидова - в конце главы о контактных задачах есть интересное примечание о подшипниковых сталях.

[etcartman 23]

Более менее подробную информацию можно найти по износу при скольжении (Крагельский, Когае-Дроздов - Износ деталей машин) а в данном случае все скольжение отнесено к бронзовому подшипнику скольжения (и это отдельный вопрос) а износ интересует при качении.

В вопросе речь идет о цевочной передачи в общем.

Что доподлинно известно что конечно же материалы можно попробовать упрочнить (хотя в этом случае вероятно повление поверхностных дефектов - концентраторов и это более опасно чем равномерный износ).

Нашел только то, что в таких случаях делают испытания для определения интенсивности износа Ih и даже схемы установки для испытания. А вот прикидочных величин для оценки пока не нашел.

[ДУЧ 14]

Не уверен на 100%, но может помочь: Спришевский А.И. Подшипники качения; Воронков Б.Д. Подшипники сухого трения

Изменено 5 января 2016 пользователем ДУЧ

[etcartman 23]

Спасибо за ссылки. Я продвинулся достаточно далеко в этой теме с тех пор как задал свой вопрос.

Формулы для интенсивности износа при качении есть - в российских источниках основанные на теориях Крагельского. Это достаточно сложные формулы с кучей степенных коэффициентов, с претензией на общее решение проблемы но по сути верные только для частных случаев (небольшая вариация коэффициентов очень сильно меняет результат). Англоязычные источники вообще сразу исходят из необходимости проводить эксперименты и определять нужные параметры опытным путем (а генеральная зависимость там очень простая).

Ближайшее что есть ко мне - фрикционные передачи, там есть качение.

Определение контактных напряжений МКЭ задача не очень сложная, можно сказать тривиальная. Поэтому формулы на эту тему особенно не нужны.

Интересны результаты решения контактной задачи с учетом пластичности материала. В этом случае растягивающие напряжения на краях пятна ближе к поверхности сильно подрастают по сравнению с линейным расчетом (а навскидку должно быть наоборот). Так что из такого расчета сразу становится понятно почему материал слайсится при тяжелом контакте - это объясняется простыми соображениями основанными на малоцикловой усталости. И кстати теории Крагельского становятся очень сомнительными в свете этого, хотя он тоже пытается объяснить (и выводит свои зависимости) из соображений малоцикловой усталости, но немного не так.

Интересный вопрос который меня интересует - это начальное упрочнение при точечном контакте. То есть известна такая штука как дробейструйная обработка поверхности или обкатка роликами. В данном случае выходит что поверхность обрабатывается сама в процессе работы (то есть в самом начале). Такая особенность точечного контакта лежит в том числе в основе высокого ресурса передачи Новикова и подобных ему.

Изменено 5 января 2016 пользователем etcartman

[ДУЧ 14]

Прошу прощения за свое дилетанство, для меня вопрос слоистости металла сродни образованию брони. Накапливается упрочненный слой, отслаивается и заново упрочнение... С трудом представляю такой материал (сталь) на просторах необъятной.

Не являюсь приверженцем процесса "самообработки", предпочитаю "дубовые" запасы прочности.

Нравится Ваша увлеченность погружением в процесс. Правда, здорово.

А в исходной задаче поменял бы условия, уж больно все получается сложно с решением. Но это субьективно, не претендую...

[etcartman 23]

Тут дело не в увлеченности а в том что задача сугубо практическая. И надо ее решить, по возможности правильно. Просто взять где то формулу и использовать ее слишком велика вероятность не точного решения потому что данный процесс очень сложный. Но мой начальный вопрос пока остается в силе - может кто нибудь порекомендует что то полезное исходя из практического опыта решения подобных задач (на форуме много машиностроителей а для них эта задача обычная)

На рисунке то как я сейчас представляю данный процесс. Прочитав выкладки Крагельского я пришел к выводу что мне они в общем бесполезны потому что слишком общие и в ряде мест сомнительные.

Изменено 5 января 2016 пользователем etcartman

[SVB 188]

etcartman, почитайте раздел "Контактные напряжения" в справочнике Писаренко и Ко тут: https://cloud.mail.ru/public/76M2/cQ8CvtzVg

[etcartman 23]

Да я за выходные прочитал- просмотрел примерно несколько десятков таких справочников. Там в основном приводится случай когда поверхности в масле. Масло проникает в микродефекты и контактные напряжения сжимают его, разрывая материал. В принципе это явление называемое питтингом. В результате поверхность покрывается язвинами которые играют роль острых концентраторов, притом что окончательное разрушение (например зуба шестерни) происходит от изгибных напряжений с учетом этих самых концентраторов или от прогрессирующего раскрашивания поверхности. Лимиты на контактные напряжения в основном везде установлены по критерию питтинга опытным путем.

У меня задача несколько иная совершенно не стандартная. Во первых масла нет, во вторых предполагается интенсивный износ (который в частности устраняет поверхностные дефекты по мере их появления). Нужно интенсивность этого износа оценить и именно для условий когда контактные напряжения значительно выше лимита.

Сам по себе контакт хоть с какой силой означает сжатие (причем ядро сжатия по сути работает в условиях многоосного НДС). Такое сжатие ничего не разрушает и не изнашивает. Контактные напряжения мне известны. Известно также что при точечном контакте лимиты в 2 раза выше чем при линейном (до 2000 МПа и более)

Изменено 5 января 2016 пользователем etcartman

[ДУЧ 14]

Позвольте вопрос: что это за механизм? Можете описать более объектно?

Про Крагельского согласен.

Изменено 5 января 2016 пользователем ДУЧ

[etcartman 23]

Ролик 3'' в диаметре который катается по поверхности под большой нагрузкой.

[SVB 188]

etcartman, а вы не задумывались о смене конструктивного исполнения механизма? Тем более, что у вас, как вы сами пишите: "контактное напряжение за пределами обычных лимитов".

В таком случае конструктора размышляют в направлении изменения конструкции. А вы рассуждаете как расчетчик...

У меня несколько лет назад была аналогичная ситуация, когда контактные напряжения были высоки в опорной конструкции. Пришлось изменить конструкцию опоры.

[etcartman 23]

конструкая сама по себе оптимальная и в том числе контактные напряжения не должны быть помехой. Единственная цель - проверить интенсивность и механизм износа и сравнить с заданными параметрами. Если бы речь шла о какой то опорной конструкции и легкости изменения параметров то и данный вопрос бы и не возник.

[SVB 188]

конструкая сама по себе оптимальная и в том числе контактные напряжения не должны быть помехой. Единственная цель - проверить интенсивность и механизм износа и сравнить с заданными параметрами. Если бы речь шла о какой то опорной конструкции и легкости изменения параметров то и данный вопрос бы и не возник.

etcarttman, вы сами себе в своих собственных сообщениях противоречите.

С одной стороны у вас "контактное напряжение за пределами обычных лимитов". Но конструкция по-вашему "сама по себе оптимальная"...

Извините, но эти ваши утверждения одновременно существовать не могут. Лимиты они и на то существуют, чтобы их не превышать.

Вам контрольный вопрос: ваша конструкция должна подвергаться каким-то нормативным требованиям в части прочности и надежности?

Что это за изделие? Какой надзорный орган его контролирует?

Или его конструктор/расчетчик может по своему усмотрению и за свои деньги разрабатывать конструкцию с напряжениями, "выходящими за пределы обычных лимитов"?

 Если бы речь шла о какой- то по-вашей цитате "опорной конструкции и легкости изменения параметров то и данный вопрос бы и не возник".

Разве я в посте №13 писал про параметры? Я писал про конструкцию! Вы понимаете что такое конструкция? Это другое схемное решение, другая силовая схема нагружения, другое конструктивное исполнение и т.д. и т.п.

Причём тут параметры? Параметры не меняют то, что в предыдущем предложении описано.

Но я вижу, что вы совершенно не поминаете что такое конструирование. Вы рассуждаете с позиции расчетчика, причем не очень продвинутого...

И, замечу вам, что опорная конструкция де-факто не является легкой. Вы же не знаете в каких условиях, в какой среде она работает...

[AlexKaz 1 822]

Если брать чистую теорию Герца, то шарик в пару сантиметров достаточно ногтем вдавить в стол - и напряжения будут выше текучести. Как я думаю, для мягкой стали по линии контакта будет пластическое микровдавливание, отсюда и отслаивание, т.е. растягивающие напряжения по границе контакта не главный фактор. Сетку нужно сильно-сильно мельчить. Я решал схожую задачку, только был жёсткий шарик.

 

С одной стороны у вас "контактное напряжение за пределами обычных лимитов".

Демидов пишет, это нормально:

Изменено 6 января 2016 пользователем AlexKaz

[SVB 188]

Alexkaz, я не знаком с вашим Демидовым, но в справочнике Писаренко Г.С., Яковлева А.П. и Матвеева В.В., ссылку на который я дал в посте #9 на странице 631-643, а конкретно  в разделе "Проверка прочности при контактных напряжениях" дается порядок расчета элементов конструкции в местах контакта.

Неужели этого не достаточно?

Или может кто-то не смог прочитать файл формата djvu справочника Писаренко?

[AlexKaz 1 822]

Ох, точно, я дальше теории Герца не листал

[etcartman 23]

ак я думаю, для мягкой стали по линии контакта будет пластическое микровдавливание, отсюда и отслаивание, т.е. растягивающие напряжения по границе контакта не главный фактор.

 

Растягивающие напряжения в поперечном направлении возникают как результат сжатия и поперечной деформации. Но что интересно - при не линейном расчете они повышаются настолько что можно уже сделать вывод что они влияют на отслаивание. А при линейном в моем случае получается порядка 20 МПа всего.

 

 

 

С одной стороны у вас "контактное напряжение за пределами обычных лимитов". Но конструкция по-вашему "сама по себе оптимальная"...

 

Речь о не стандартном изделии прямо не регламентируемом нормами, и лимиты на самом деле не известны, поэтому и был задан вопрос. Есть предварительные соображения и эксперименты свидетельствующие о том, что эти лимиты выше чем то что есть. Задача состоит в том чтобы эту гипотезу подтвердить или опровергнуть. Что и планируется сделать прежде всего экспериментально на готовом уже стенде

Изменено 6 января 2016 пользователем etcartman

[AlexKaz 1 822]

Мне вот только не понравилось, что у Писаренко оценка ведётся по гидростатическим напряжениям, без учёта касательных (расчёт линейный, контакт линейный, напряжения равномерно распределены по площадке контакта, причём площадка находится в состоянии равномерного всестороннего сжатия - она потечь не может!). А согласно теории и практики потечёт внутренний слой при одинарной нагрузке с пластикой (от касательных напряжений), что и указано в посте http://cccp3d.ru/topic/77331-интенсивность-износа-при-качении-высокие-конт/?p=712026С усталостью интереснее. Взять эквивалентные (всмысле худшие для CalculiX) по внешнему контуру ролика, Sigma minus и Sigma plus есть и ярковыражены. Засунуть их в формулы обычной циклики?

Изменено 6 января 2016 пользователем AlexKaz