Підвищення зносостійкості поверхневого шару зубчатих коліс методом магнітно-імпульсної обробки
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Дубініна О.Т. Підвищення зносостійкості поверхневого шару зубчатих коліс методом магнітно-імпульсної обробки. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертація присвячена підвищенню зносостійкості великомодульних зубчатих коліс закритих передач шляхом застосування магнітно-імпульсної обробки (МІО) як альтернативи або доповнення традиційним методам поверхневого зміцнення. Обґрунтовано, що для важконавантажених передач визначальними є процеси зношування і контактної втоми, які ініціюються та розвиваються в поверхневому шарі зуба під дією високих контактних напружень, абразивного впливу та корозійного середовища. Тому ефективність зміцнення повинна оцінюватися не лише за підвищенням твердості, а й через зміну структурно-дефектного стану приповерхневого шару, зокрема доменно-дислокаційної субструктури матеріалу. Розроблено науково-методичні рекомендації вибору режимів МІО та проєктування індукторних систем для великомодульних зубчатих коліс. На основі дислокаційної теорії та енергетичного аналізу встановлено механізм зміцнення при МІО, що полягає в активації мікропластичних процесів і перебудові доменно-дислокаційної субструктури приповерхневого шару без переходу матеріалу в режим макропластичної деформації. Виконано чисельне моделювання електромагнітного поля в середовищі Ansys Maxwell з урахуванням магнітного насичення матеріалу та еквівалентної частоти імпульсу, що дозволило обґрунтувати глибину проникнення електромагнітного поля та визначити раціональні значення струму індуктора. За результатами чисельного моделювання визначено характер розподілу магнітного поля у зоні контакту зубців, встановлено області максимальної концентрації напруженості магнітного поля та оцінено ефективну глибину проникнення електромагнітного впливу в приповерхневий шар матеріалу. Отримані результати моделювання показали, що електромагнітний вплив зосереджується у приповерхневому шарі зуба та забезпечує формування зміцненого шару саме в найбільш навантажених ділянках великомодульного зубчатого колеса, що підтверджує ефективність застосування магнітно-імпульсної обробки для підвищення зносостійкості робочих поверхонь зубців. Експериментально розроблено й випробувано магнітно-імпульсні установки з енергією імпульсу 50 Дж та до 1000 Дж, удосконалено конструкцію індукторів для багатоімпульсної роботи. Проведені дослідження мікротвердості, мікроструктури та трибологічні випробування підтвердили локальний характер зміцнення; для незагартованих зразків зниження зношування становить 13–30 %. Для попередньо загартованих зразків ефект від МІО є мінімальним, що пояснюється вже сформованим зміцненим структурним станом матеріалу. Зміст роботи складається з чотирьох розділів, у яких послідовно викладено теоретичні, методичні та експериментальні результати дослідження. У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми дослідження, визначено мету та завдання роботи, сформульовано об’єкт і предмет дослідження. Описано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено зв’язок роботи з науковими програмами і темами, подано відомості про апробацію результатів дослідження, публікації та структуру дисертаційної роботи. У першому розділі виконано розгорнутий аналіз умов експлуатації великомодульних зубчатих передач та досліджено основні механізми їх руйнування. Розглянуто особливості роботи закритих зубчатих передач у важконавантажених умовах, характер контактної взаємодії зубців та вплив контактних напружень на довговічність передач. Встановлено, що найбільш інтенсивні процеси руйнування виникають у приповерхневому шарі зубців унаслідок абразивного, адгезійного та корозійно-механічного зношування. Досліджено процеси контактної втоми та їх вплив на розвиток мікропітінгу, викришування та заїдання поверхонь зубців. Проаналізовано вплив геометрії зубчатого зачеплення, точності виготовлення та умов змащування на інтенсивність зношування. Показано, що нерівномірність розподілу контактного навантаження по довжині зуба сприяє локальному підвищенню контактних напружень і розвитку втомних процесів у приповерхневому шарі. Проведено аналіз сучасних методів поверхневого зміцнення зубчатих коліс, зокрема термічних, термомеханічних, хіміко-термічних і механічних методів. Розглянуто індукційне гартування, цементацію, азотування, лазерне та плазмове зміцнення, визначено їх переваги та недоліки при застосуванні до великомодульних зубчатих коліс. Встановлено, що традиційні методи характеризуються значними енергетичними витратами, ризиком деформацій та складністю локального зміцнення. Обґрунтовано доцільність застосування магнітно-імпульсної обробки як безконтактного методу зміцнення, що дозволяє формувати зміцнений приповерхневий шар без значного термічного впливу. Розглянуто фізичні основи магнітно-імпульсної обробки, механізми взаємодії імпульсного магнітного поля з металом, а також особливості зміни структурно-дефектного стану матеріалу під дією імпульсного магнітного поля. У другому розділі наведено методичні підходи до дослідження процесу магнітно-імпульсної обробки великомодульних зубчатих коліс. Розглянуто фізичні особливості взаємодії імпульсного магнітного поля з феромагнітним матеріалом зуба з урахуванням явищ магнітного насичення, скін-ефекту та особливостей електромагнітного проникнення. Описано методику визначення найбільш зношуваних ділянок зуба великомодульного колеса. Проведено аналіз зон максимального навантаження, що дозволило встановити ділянки, найбільш схильні до розвитку процесів зношування та втомного руйнування. На основі отриманих результатів визначено області, у яких застосування магнітно-імпульсної обробки є найбільш доцільним для підвищення зносостійкості та довговічності зубчатих передач. Проведено чисельне моделювання розподілу магнітного поля вздовж зуба колеса залежно від конструкції індуктора в середовищі Ansys Maxwell. Досліджено вплив геометрії індуктора, його положення відносно поверхні зуба та параметрів імпульсу на розподіл напруженості магнітного поля і глибину проникнення електромагнітного впливу в приповерхневий шар матеріалу. Отримані результати дозволили оцінити ефективність різних конструкцій індукторів та умови формування зміцненого шару в найбільш навантажених ділянках зуба великомодульного колеса. Встановлено закономірності розподілу напруженості магнітного поля у приповерхневому шарі зубців. Визначено оптимальні параметри індукторної системи та діапазони струму, що забезпечують досягнення необхідного рівня магнітного насичення в робочій зоні. Проведено аналіз глибини впливу магнітно-імпульсної обробки та її відповідності умовам експлуатації зубчатих передач. У третьому розділі описано процес розроблення та створення експериментальних магнітно-імпульсних установок. Проведено розрахунок параметрів індукторів та елементів магнітно-імпульсної установки. Розроблено установку з енергією імпульсу 50 Дж та установку з енергією до 1000 Дж. Удосконалено конструкцію індукторів для забезпечення багатоімпульсного режиму роботи. Проведено дослідження параметрів імпульсів струму, їх амплітуди, тривалості та частоти. Визначено енергетичні параметри імпульсів та їх вплив на глибину зміцнення поверхневого шару. Виконано моделювання електромагнітного поля з урахуванням реальних параметрів установки. Проведено дослідження впливу параметрів магнітно-імпульсної обробки на структурний стан матеріалу. У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень ефективності магнітно-імпульсної обробки. Проведено дослідження мікротвердості поверхневого шару після обробки при різних режимах. Визначено глибину зміцненого шару та проведено аналіз мікроструктури матеріалу. Проведено трибологічні випробування для оцінювання зносостійкості оброблених зразків після МІО при різних енергетичних параметрах імпульсу та кількості імпульсних впливів. Досліджено залежність втрати маси та інтенсивності зношування від режимів магнітно-імпульсної обробки та умов охолодження. Встановлено залежність інтенсивності зношування від параметрів магнітно-імпульсної обробки, зокрема енергії імпульсу, кількості імпульсів та напруженості магнітного поля. Визначено оптимальні режими обробки, за яких досягається максимальне підвищення зносостійкості без виникнення небажаних структурних змін і розвитку втомних процесів у приповерхневому шарі матеріалу. Проведено математичне моделювання процесу зношування з урахуванням параметрів МІО та умов експлуатації. Встановлено функціональні залежності між параметрами імпульсного впливу та показниками зносостійкості, що дозволило оцінити ефективність магнітно-імпульсної обробки при різних режимах. Отримані результати моделювання дали змогу визначити раціональні області параметрів обробки та розробити рекомендації щодо застосування магнітно-імпульсної обробки у виробничих умовах для підвищення ресурсу великомодульних зубчатих передач. Результати дослідження підтвердили можливість підвищення зносостійкості поверхневого шару великомодульних зубчатих коліс шляхом формування зміцненого приповерхневого шару під дією імпульсного магнітного поля. Встановлено, що застосування магнітно-імпульсної обробки дозволяє зменшити інтенсивність зношування та підвищити довговічність зубчатих передач. Отримані результати обґрунтовують доцільність використання магнітно-імпульсної обробки для зміцнення поверхневого шару великомодульних зубчатих коліс і підтверджують перспективність її промислового впровадження.
Опис
Ключові слова
магнітно-імпульсна обробка, напруженість магнітного поля, зубчаті передачі, структурна міцність, великомодульні зубчаті колеса, анізотропія, мікроструктура, абразивне зношування, мікротвердість, дефекти, зносостійкість, механічні властивості, поверхневий шар металу, втомне руйнування, пластична деформація, magnetic-pulse treatment, magnetic field intensity, gear transmissions, structural strength, large-module gear wheels, anisotropy, microstructure, abrasive wear, microhardness, defects, wear resistance, mechanical properties, metal surface layer, fatigue failure, plastic deformation
Бібліографічний опис
Дубініна, О. Т. Підвищення зносостійкості поверхневого шару зубчатих коліс методом магнітно-імпульсної обробки : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Дубініна, Ольга Тимофіївна. - Київ, 2026. - 215 с.