Підвищення зносостійкості поверхневого шару зубчатих коліс методом магнітно-імпульсної обробки

Дубініна, Ольга Тимофіївна

Підвищення зносостійкості поверхневого шару зубчатих коліс методом магнітно-імпульсної обробки

dc.contributor.advisor	Медведєв, Вадим Вячеславович
dc.contributor.author	Дубініна, Ольга Тимофіївна
dc.date.accessioned	2026-06-23T07:03:11Z
dc.date.available	2026-06-23T07:03:11Z
dc.date.issued	2026
dc.description.abstract	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.
dc.description.abstractother	Dubinina O.T. Improvement of Wear Resistance of the Surface Layer of Gear Wheels by Magnetic Pulse Treatment. – Qualifying scientific work as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Specialty 131 – Applied Mechanics. – National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to improving the wear resistance of large-module gear wheels of enclosed gear transmissions by the way of magnetic-pulse treatment (MPT) as an alternative or complementary method to conventional surface hardening technologies It is substantiated that wear and contact fatigue processes, which are initiated and developed in the surface layer of the tooth under the influence of high contact stresses in the surface layer of the tooth under the influence of high contact stresses, abrasive and corrosive environments are the decisive factors for hard loaded gear systems. Therefore, the effectiveness of strengthening have to be evaluated not only by hardness increasing, but by changes in the structural-defect state of the near-surface layer, particularly the domaindislocation substructure of the material also. There were developed the scientific and methodological recommendations for selecting MPT regimes and designing inductor systems for large-module gear wheels. Based on dislocation theory and energy analysis, it has been created the strengthening mechanism of the MPT, which is supposed the activation of microplastic processes and rearrangement of the domain-dislocation substructure of the surface layer without transition to macroscopic plastic deformation. It was performed the numerical modeling of the electromagnetic field in the Ansys Maxwell environment, taking into account magnetic saturation and equivalent pulse frequency, which allowed to justify the penetration depth of the field and the required current parameters of the inductor. According to the results of numerical modeling it was determined the distribution of magnetic field intensity in the tooth contact zone, there were identified the regions of maximum magnetic field concentration, and it was evaluated the effective depth of electromagnetic influence penetration into the near-surface layer of the material. The obtained results of simulation showed that electromagnetic influence is concentrated in the surface layer of the tooth and it ensures formation of a strengthened layer in the most heavily loaded areas of the large-module gear tooth, that’s way confirming the effectiveness of MPT for improving wear resistance of gear tooth working surfaces. There were experimentally developed and tested the Magnetic-pulse installations with pulse energies of 50 J and up to 1000 J, and the inductor construction was improved for multi-pulse operation. The measurements of microhardness, microstructural analysis, and tribological tests confirmed the localized character of strengthening, the wear reduction for non-hardened specimens ranged from 13% to 30%. The MPT effect for pre-hardened specimens is minimal due to the already formed strengthened structural state of the material. The dissertation consists of four chapters which present theoretical, methodological, and experimental research results. The introduction provides a general description of the work, substantiates the relevance of the research topic, defines the aim and objectives, and formulates the object and subject of the study. The scientific novelty and practical significance of the obtained results are presented, along with the relation to research programs and information on approbation and publications. Chapter One contains the detailed analysis of operating conditions of large-module gear transmissions and the main mechanisms of their failure. The features of the operation of closed gear gears under heavy load conditions, the nature of the contact interaction of the teeth, and the influence of contact stresses on the durability of the gears are considered. It has been established that the most intense destruction processes occur in the surface layer of the teeth due to abrasive, adhesive, and corrosive-mechanical wear. The processes of contact fatigue and their influence on the development of micropitting, chipping and seizing of tooth surfaces were investigated. The influence of the geometry of the gearing, manufacturing accuracy and lubrication conditions on the intensity of wear was analyzed. It was shown that irregular distribution of the contact load along the length of the tooth contributes to a local increase in contact stresses and the development of fatigue processes in the near-surface layer. Modern surface hardening methods including thermal, thermomechanical, chemicalthermal, and mechanical treatments were analyzed. Induction hardening, carburizing, nitriding, laser and plasma strengthening were considered and there were determined their advantages and limitations at the process of application to large-module gear wheels. It was found out that traditional methods are characterized by high energy consumption, risk of deformation, and complexity of local strengthening. The advantage of applying MPT as a non-contact strengthening method which allows to form a strengthened near-surface layer without significant thermal influence was substantiated. The physical principles of MPT, mechanisms of pulsed magnetic field interaction with metal, and features of structural-defect state changes under pulsed magnetic field influence were considered. Chapter Two describes methodological approaches to investigating the MPT process for large-module gear wheels. The physical features of interaction between pulsed magnetic field and ferromagnetic tooth material were considered, taking into consideration magnetic saturation, skin-effect phenomena, and electromagnetic penetration characteristics. A method for determining the most worn areas of the large-module gear tooth was described. There were analyzed zones of maximum loading which allowed to identify the most susceptible regions of the development of wear and fatigue failure. Based on the obtained results, there were determined the areas where MPT application is most effective for increasing wear resistance and durability of gear transmissions. Numerical simulation of magnetic field distribution along the gear tooth depending on inductor design was performed in the Ansys Maxwell environment. The influence of inductor geometry, its position according to the tooth surface, and pulse parameters on magnetic field distribution and penetration depth into the near-surface layer was investigated. The obtained results allowed to evaluate the effectiveness of various inductor designs and to determine the conditions for formation of a strengthened layer in the most heavily loaded areas of the gear tooth. Regularities of magnetic field intensity distribution in the near-surface layer were established. Optimal parameters of the inductor system and current ranges that ensure the required magnetic saturation levels in the working zone were determined. The depth of MPT influence and its correspondence to operating conditions of gear transmissions were analyzed. Chapter Three describes the development and creation of experimental MPT installations. Calculation of inductor parameters and elements of the installation was performed. Installations with pulse energies of 50 J and up to 1000 J were developed. It was improved the inductor design for multi-pulse operation. Current pulse parameters with their amplitude, duration, and frequency were investigated. Pulse energy parameters and their influence on strengthening depth were determined. Electromagnetic field modeling considering real installation parameters was performed. The influence of MPT parameters on structural state of the material was investigated. Chapter Four presents results of experimental studies of MPT efficiency. Microhardness of the surface layer under different regimes was investigated. It was determined the depth of the strengthened layer and microstructure analysis was also performed. Tribological tests were carried out to evaluate wear resistance of treated specimens after MPT at different pulse energy levels and number of pulses influences. The dependence of mass loss and wear intensity on MPT regimes and cooling conditions was investigated. The dependence of wear intensity on MPT parameters, including pulse energy, number of pulses, and magnetic field intensity, was established. There were determined the optimal treatment regimes that ensure the maximum wear resistance increase without undesirable structural changes and fatigue processes in the surface layer of the material. Mathematical modeling of the wear process was performed in accordance with MPT parameters and operating conditions. Functional relationships between impulse influence parameters and wear resistance indicators were established, that allow to evaluate the effectiveness of magnetic pulse treatment in different modes. The obtained modeling results made it possible to determine rational treatment parameter ranges and develop recommendations for industrial application of MPT to increase service life of large-module gear transmissions. The results of research confirmed the possibility of increasing wear resistance of large-module gear wheels through formation of a strengthened near-surface layer under pulsed magnetic field influence. It was found out that the application of MPT reduces wear intensity and increases durability of gear transmissions. The obtained results substantiate the profitability of using MPT for strengthening surface layers of large-module gear wheels and confirm the prospects of its industrial implementation.
dc.format.extent	215 с.
dc.identifier.citation	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.
dc.identifier.uri	https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81874
dc.language.iso	uk
dc.publisher	КПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.place	Київ
dc.subject	магнітно-імпульсна обробка
dc.subject	напруженість магнітного поля
dc.subject	зубчаті передачі
dc.subject	структурна міцність
dc.subject	великомодульні зубчаті колеса
dc.subject	анізотропія
dc.subject	мікроструктура
dc.subject	абразивне зношування
dc.subject	мікротвердість
dc.subject	дефекти
dc.subject	зносостійкість
dc.subject	механічні властивості
dc.subject	поверхневий шар металу
dc.subject	втомне руйнування
dc.subject	пластична деформація
dc.subject	magnetic-pulse treatment
dc.subject	magnetic field intensity
dc.subject	gear transmissions
dc.subject	structural strength
dc.subject	large-module gear wheels
dc.subject	anisotropy
dc.subject	microstructure
dc.subject	abrasive wear
dc.subject	microhardness
dc.subject	defects
dc.subject	wear resistance
dc.subject	mechanical properties
dc.subject	metal surface layer
dc.subject	fatigue failure
dc.subject	plastic deformation
dc.subject.udc	621.318.004.92
dc.title	Підвищення зносостійкості поверхневого шару зубчатих коліс методом магнітно-імпульсної обробки
dc.title.alternative	Improvement of Wear Resistance of the Surface Layer of Gear Wheels by Magnetic Pulse Treatment
dc.type	Thesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів

Зараз показуємо 1 - 1 з 1

Назва:: Dubinina_dys.pdf
Розмір:: 14.35 MB
Формат:: Adobe Portable Document Format

Завантажити

Ліцензійна угода

Зараз показуємо 1 - 1 з 1

Назва:: license.txt
Розмір:: 8.98 KB
Формат:: Item-specific license agreed upon to submission
Опис:

Завантажити

Зібрання

Дисертації (ТМ)
Дисертації (вільний доступ)