Discrete-continual strengthening of contacting structural elements: mathematical and numerical modeling

• Autorzy: Marchenko A. , Kravchenko S. , Tkachuk M. , Tkachuk M. , Saverska M.

Warianty tytułu

PL

Dyskretno-ciągłe utwardzenie kontaktu z elementami strukturalnymi: modelowanie matematyczne i numeryczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Discrete-continual hardening is proposed for contacting elements of machines. The method suggests that one part is hardened in a discrete manner while the other one is hardened continually over the entire surface. The resulting contact pair acquires positive qualities from each of the employed hardening techniques. Performance of the proposed technology is evaluated by means of stress analysis of the treated fragments. Unlike traditional hardening technologies the new one implements negative feedback mechanisms in the system "loading - contact interaction - friction - wear". This results in a positive integral effect which outperforms the individual contributions of each of the hardening technologies involved. It provides more favorable contact conditions in particular contact pressure distribution. This leads to decrease in wear, which in turn it prevents dramatic increase of the working loads. Consequently, the stabilization of investigated processes occurs. Enhancement of contact conditions of hardened bodies is demonstrated by structural analysis of a representative fragment of the studied system. The results of the numerical modeling confirm the technology design premises. The locally hardened zones do actually bear major loads. Nevertheless, friction and wear in the hardened zones are reduced due to the enhanced tribomechanical properties of the material compared to the remaining part of the body. Continual treating of the response part further amplifies this effect. In particular, metal materials like aluminum are covered by a thin layer of oxides formed by application of strong electric current in a special medium. The consolidated oxide phase form surface layers that perform structural role. Together with the discretely hardened surface of the response part they form a contact pair that is characterized by higher strength of components, anti-friction and anti-wear properties.

PL

Dyskretno-ciągłe hartowanie jest proponowane dla powierzchni stykających się elementów maszyn. Metoda sugeruje, że jedna część jest utwardzana w dyskretny sposób, a druga jest utwardzana w sposób ciągły na całej powierzchni. Uzyskana para kontaktów uzyskuje pozytywne cechy z każdej z zastosowanych technik hartowania. Działanie proponowanej technologii ocenia się za pomocą analizy naprężeń badanych fragmentów. W przeciwieństwie do tradycyjnych technologii hartowania, w nowym systemie zastosowano mechanizmy ujemnego sprzężenia zwrotnego w systemie "obciążenie - interakcja stykowa - tarcie - zużycie". Skutkuje to dodatnim efektem integralnym, który przewyższa indywidualne wpływ każdej z zastosowanych technologii hartowania. Zapewnia bardziej korzystne warunki kontaktu, w szczególności rozkład naprężeń kontaktowych. Prowadzi to do zmniejszenia zużycia, co z kolei zapobiega dramatycznemu wzrostowi obciążeń roboczych. W konsekwencji następuje stabilizacja badanych procesów. Zwiększenie warunków kontaktu hartowanych elementów wykazano za pomocą analizy strukturalnej reprezentatywnego fragmentu badanego układu. Wyniki modelowania numerycznego potwierdzają zalety tej technologii. Lokalnie utwardzone strefy rzeczywiście przenoszą duże obciążenia. Niemniej jednak, tarcie i zużycie w utwardzonych strefach są zmniejszone dzięki ulepszonym właściwościom tribomechanicznym materiału w porównaniu z pozostałą częścią obiektu. Ciągłe testowanie próbki dodatkowo wzmacnia ten efekt. W szczególności materiały metalowe, takie jak aluminium, są pokryte cienką warstwą tlenków utworzoną przez zastosowanie silnego prądu elektrycznego w specjalnym medium. Skonsolidowana faza tlenkowa tworzy warstwy powierzchniowe spełniające rolę strukturalną. Wraz z dyskretnie hartowaną powierzchnią części reakcyjnej tworzą parę kontaktową, która charakteryzuje się większą wytrzymałością komponentów, właściwościami przeciwciernymi i przeciwzużyciowymi.

Słowa kluczowe

EN

contact; friction; wear; stressed-deformed state; zone of discrete strengthening; corunding; finite element method; rational technological parameters; representative volume; feedback; energy efficiency; engineering construction

PL

kontakt; tarcie; zużycie; stan naprężenia i odkształcenia; strefa dyskretnego wzmocnienia; korundowanie; metoda elementów skończonych; racjonalne parametry technologiczne; objętość reprezentatywna; sprzężenie zwrotne; efektywność energetyczna; konstrukcja inżynieryjna

• Wydawca: Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów / Politechnika Warszawska
• Rocznik: 2018
• Tom: z. 2/116
• Strony: 143--153
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Marchenko A.

• National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute

autor

Kravchenko S.

• National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute

autor

Tkachuk M.

• National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute

autor

Tkachuk M.

• National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute

autor

Saverska M.

• National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute

Bibliografia

• [1] Dyachenko S.S., Ponomarenko I.V.: Vliyanie genezisa modifitsirovannogo poverhnostnogo sloya na konstruktivnuyu prochnost izdeliy, Fizika metallov i metallovedenie, Vol. 118, issue 6, 2017, pp. 639-652, Moskow.
• [2] Ivanov V.I., Panin Y.S., Konevysov L.A. [and oth.]: Formation of the Surface Layer on a Low-Carbon Steel in Electrospark Treatment, Welding International, Vol. 27, issue 11, 2013, pp. 903-906.
• [3] Tkachuk N.A., Dyachenko S.S., Posvyatenko E.K., Kravchenko S.A., Goncharov V.G., Shpakovskiy V.V., Belov N.L., Sheyko A.I., Oleynik A.K., Ponomarenko I. V.: Kontinualnaya i diskretno-kontinualnaya modifikatsiya poverhnostey detaley: monografiya, 259 p., 2015, Kharkiv.
• [4] Kravchenko S., Posvyatenko E., Tkachuk M., Veretelnik O.: Kombinirovannyie tehnologii povyisheniya iznosostoykosti vyisokonagruzhennyih par treniya, Systemy i środki transportu samochodowego. Wybrane zagadnienia. Monografia nr 5. Seria: Transport, Rzeszów: Politechnika Rzeszowska, 2014, pp. 269-280.
• [5] Papangelo, A., Hoffmann, N., & Ciavarella, M.: Load-separation curves for the contact of self-affine rough surfaces. Scientific reports, 7(1), 6900, 2017.
• [6] Kozachok, O. P., Slobodian, B. S., & Martynyak, R. M.: Interaction of Two Elastic Bodies in the Presence of Periodically Located Gaps Filled with a Real Gas. Journal of Mathematical Sciences, 222(2), 2017, pp. 131-142.
• [7] M.A. Tkachuk, N. Skripchenko, A. Grabovskiy, M.M. Tkachuk: Numerical tools for analysis of complex-shaped bodies in mechanical contact, Book of Proceedings of the 56th International Conference of Machine Design Departments (ICMD 2015), pp. 393-398.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).