• Вакуумно-дифузійні газорозрядні процеси модифікації поверхні металів у безводневому середовищі
• Аналіз і синтез важільних напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки
• Динаміка мікропереміщень, малоамплітудний фретинг та структурна цілісність номінально-нерухомих фрикційних з’єднаннь
• Розробка методів розрахунку та дослідження герметичності металополімерних ущільнень (циліндро-поршневих та торцевих)
• Корозійно-механічне зношування поверхневих шарів металів, підвищення і прогнозування їх довговічності, розробка ресурсозберігаючих технологій зміцнення
• Реологічні та трибохімічні принципи керування зносостійкістю та тривалою міцністю елементів трибосистем

Загальна характеристика процесу. Вакуумно-дифузійна газорозрядна технологія модифікації металевих поверхонь азотуванням в тліючому розряді серед більш ніж сотні відомих типів процесів аналогічного призначення цілком виправдано відноситься до технологій універсального застосування, оскільки вона може застосовуватись як для деталей машин – пар тертя, так і для оброблювального інструменту, штампів, прес- та ливарних форм, оснащення тощо. При цьому окрім підвищення зносостійкості, поверхневої міцності, інших показників працездатності забезпечується в певній мірі корозійна стійкість та інші позитивні наслідки модифікації.

Головні теоретичні положення. Основу теорії технологій, вперше розроблених в Подільському науковому фізико-технологічному центрі Хмельницького національного університету, становить концепція безводневих газових середовищ, в яких проводиться азотування, карбоазотування та інші комбіновані процеси модифікації металів в тліючому розряді. Вперше в світовій практиці модель процесу базується на енергетичному підході.

Переваги технологічного процесу. Традиційно найбільш широко в якості газового середовища використовується аміак. Проте результатом цього варіанту процесу є водневе окрихчення. Іншим недоліком, що надалі, то все менш допустимим, є екологічна шкідливість процесу. Ці недоліки обґрунтовують перспективність безводневого азотування в тліючому розряді, який є абсолютно екологічно чистим та забезпечує кращу пластичність поверхні. Концептуальна новизна проекту. Вперше на основі теоретично обґрунтованої системи аналітичних критеріїв можливі проектування технологічного процесу за заданими кінцевими результатами обробки, сформованими на основі вимог експлуатації, а також оптимізація параметрів технологічного процесу з врахуванням цих вимог.

Галузь застосування: технологія може застосовуватись в усіх галузях, де виникає потреба підвищити ресурс оброблювального інструменту, оснащення, деталей, котрі працюють в умовах інтенсивного зношування, кавітаційного та корозійного впливу на них зовнішнього середовища: машинобудування, авіабудування, виробництво транспортних засобів та сільськогосподарської техніки, харчова промисловість, деревообробка, переробка пластичних мас, литво легких сплавів, обробка каміння тощо.

Теоретичні основи проекту. У сучасних машинах широко використовуються механізми з вистоєм вихідної ланки. Для цього, частіше всього, вибирають кулачкові механізми, які мають ряд суттєвих недоліків (контакт ланок у точці або по лінії, вимагають спеціальних пристроїв для замикання ланок тощо). Для забезпечення зупинки вихідної ланки можуть використовуватись важільні механізми, шатунні криві яких на деяких ділянках наближаються до прямої лінії або дуги кола. Крім цього, на базі таких напрямних механізмів можна проектувати механізми з вистоєм (зупинкою) вихідної ланки. Важільні механізми з зупинкою вихідної ланки можна отримати на базі напрямних механізмів, приєднавши до них додатково структурну групу. Розробленні чисельно-аналітичні методи синтезу та комп’ютерні програми для його реалізації.

Переваги. Важільні механізмів мають у своєму складі лише нижчі кінематичні пари (контакт між ланками здійснюється поверхнями), забезпечують геометричне замикання ланок, безударні закони руху вихідної ланки, дозволяють регулювання коефіцієнта зміни її середньої швидкості навіть під час роботи машини, а також одержати обертовий рух вихідної ланки з вистоєм. Такі механізми порівняно прості у виготовленні та ремонті, при цьому не вимагають спеціального обладнання. Заміна кулачкових механізмів шарнірно-важільними механізмами дозволяє підвищити надійність і довговічність машин, а деколи і їх продуктивність.

Застосування. Чотириланкові важільні механізми використовуються як кругові або прямолінійні напрямні або є базовими при проектуванні механізмів із зупинкою вихідної ланки. Прикладами їх застосування є механізми: тістомісильної машини, стріли підйомного крана, перекидача багатошарових хлібопекарських подових печей, крокуючих машин, живильних та транспортувальних пристроїв.

Теоретичні основи проекту. Наукову та методичну базу проекту складають: теорія квазістатичного тертя, теорія вібраційних процесів у деформованих суцільних середовищах, математичні моделі динамічного руху систем з тертям, контактна механіка, математичні методи обробки вібраційних сигналів перетворенням Фур’є та вейвлет-аналізом, динаміка хаотичних фрикційних коливань, теорія біфуркацій, динаміка режиму «зчеплення-проковзуння», еволюція фретинг-процесів, створення експериментального та випробувального обладнання, відповідна методика експериментів.

Короткий опис, характеристика проекту. Головною ідеєю проекту є врахування явища попереднього зміщення та його трансформації в умовах динамічного навантаження з подальшим дослідженням віброактивності номінально-нерухомого з'єднання. Це дає можливість зпрогнозувати довговічність з'єднань з моменту прикладання динамічного навантаження до початку повного проковзування з'єднаних елементів (зриву посадки). Розроблений комплекс устаткування для дослідження вібраційних процесів у ННФЗ.

Лабораторне устаткування обладнано аналого-цифровими перетворювачами і процесорами для спостереження, запису та аналізу вихідних силових і кінематичних характеристик, отриманих від елементів контактної пари. Переваги. Комплексний підхід до проблеми структурної цілісності номінально-нерухомих з’єднань:

• теоретичні обґрунтування;
• експериментальне дослідження;
• технології цілеспрямованої модифікації контактних місць.

Лазерним опроміненням електроіскрових покриттів практично усувається фретинг-пошкодження при малих навантаженнях або істотно зменшується при більших навантаженнях. Підвищується довговічність номінально-нерухомих з'єднань у відповідальних вузлах в 1,2...2,5 рази залежно від критеріїв працездатності.

Впровадження результатів. Із врахуванням адгезійної природи розшарування тонких поверхневих шарів при малоамплітудному фретингу були впроваджені сучасні високоенергетичні методи зміцнення та модифікації поверхонь: лазерне опромінювання з оплавленням та легуванням, електроіскрове покриття поверхонь матеріалами ВК8, Мо, Wо, Tі, Cu-Mо , TiN.

Теоретичні основи проекту. Точність розрахунку герметичності визначається точністю, з якою описана шорсткість поверхні контакту. Існуючі методи розрахунку характеристик контакту мають в своїй основі опис шорсткості за способом опорних кривих. Однак цей спосіб має низьку точність. Значно точніше характеристики контакту можна визначити за способом стохастичних процесів. Суть цього способу полягає в тому, що шорстка поверхня розглядається як реалізація стохастичного поля. Все це дає підстави розглядати спосіб стохастичних процесів як перспективний при розробці методів розрахунку герметичності.

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження – розробка методів розрахунку герметичності беззмащувальних ущільнень.

Завдання дослідження:

• розробити методи розрахунку характеристик контакту, інженерну методику визначення герметичності;
• розробити конструкцію експериментальної установки, методику проведення експериментальних досліджень;
• дослідити залежність натікань від різних чинників.

Розроблені інженерні методи розрахунку основних характеристик контакту, герметичності ущільнень, установка для досліджень та методика проведення експерименту. Проаналізовано вплив властивостей матеріалів та умов контактування.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені інженерні методи розрахунку основних характеристик контакту та герметичності беззмащувальних ущільнень можуть використовуватись при проектуванні машин та механізмів. Метод ідентифікації характеристик шорсткості за експериментально визначеною тривалістю натікання газу може бути використаний при визначенні параметрів шорсткості реальних деталей машин.

Теоретичні основи проекту. В основі корозійно-механічного зношування (КМЗ) металів лежить втомно-електрохімічна природа. Внаслідок імпульсного характеру процесів тертя і кавітації можна виділити постійну і змінну частини потенціалу. Змінна частина потенціалу сприяє локалізації адсорбції поверхневоактивних речовин і утворенню центрів втомного руйнування в цих місцях. Аналіз теоретичних та експериментальних даних проводиться на базі структурно-енергетичної теорії з використанням рівнянь неоднорідних суцільних середовищ та гідродинамічної теорії ударних хвиль і розробленого на цій основі критерію зносостійкості.

Короткий опис, характеристика проекту. На основі положень фізико-хімічної механіки матеріалів розроблені науково обґрунтовані схеми аналізу та дослідження процесів КМЗ металів; на базі структурно-енергетичної теорії зношування отримані критерії та основні рівняння інтенсивності руйнування поверхонь; розроблені методики визначення корозійного чинника руйнування безпосередньо в процесі тертя та кавітації в корозійно-активних середовищах (КАС), що дозволило розробити методи оцінки та прогнозування довговічності деталей; на основі попередньої інтенсифікації поверхонь металів розроблені нові способи та ресурсозберігаючі технології їх зміцнення методами ХТО.

Розроблено комплекс лабораторного обладнання для проведення лабораторних досліджень на зносостійкість при мікроударному навантаженні в КАС: установка з магнітострикційним вібратором (МСВ); ударно-ерозійний стенд (УЕС); спрощений варіант гідродинамічної труби (ГТ). Дані установки дозволяють одночасно з процесами тертя та кавітації проводити електрохімічні вимірювання, Вказаний комплекс також модернізовано для проведення випробовувань полімерних матеріалів з виключенням температурного чинника руйнування. Створені також лабораторні та напівпромислові установки для нанесення комплексних електролітичних покриттів (КЕП) із застосуванням нанотехнологій.

Переваги:

• розроблені принципи оцінки зносостійкості та прогнозування довговічності деталей обладнання, що працюють в КАС;
• отримані основні рівняння та критерії руйнування поверхонь при мікроударному навантаженні в КАС;
• запропоновані та апробовані методики оцінки довговічності захисних полімерних, полімеркомпозиційних і термодифузійних покриттів при КМЗ;
• розроблено прискорений метод оцінки зносостійкості матеріалів при КМЗ, що дозволяє на базі результатів лабораторних досліджень прогнозувати довговічність деталей в умовах їх експлуатації;
• розроблені нові способи інтенсифікації процесів ХТО металів, що дозволяє збільшити глибину карбідної зони при хромуванні від 1,5 до 6, а кавітаційну стійкість в 10...25 разів;
• новий спосіб іонно-плазмового наводнювання дозволяє в 1,5...1,9 рази підвищити глибину нітридної зони та відповідно в 1,45...1,6 разів збільшити зносостійкість сталей і чавунів;
• розроблені технології інтенсифікації дифузійних процесів при ХТО дозволяють цілеспрямовано отримувати покриття, що забезпечують високі показники корозійної стійкості, зносостійкості, кавітаційно-ерозійної стійкості.

Впровадження результатів. Розроблені технології поверхневого зміцнення полімеркомпозиційними покриттями з наповнювачами з суміші тугоплавких з’єднань дозволили в 2 рази підвищити довговічність роботи робочих коліс відцентрових насосів і в 5 разів довговічність їх корпусів і кришок при перекачуванні кислот. Ресурсоощадні технології інтенсифікації дифузійних процесів при ХТО дозволили в 10...25 разів підвищити зносостійкість робочих коліс, корпусів і кришок хромованих відцентрових насосів при перекачуванні водних розчинів хлориду натрію, а при іонно-плазмовому азотуванні довговічність азотованих насосів збільшилась в 1,4; захисних втулок в дефекованому соці в 4, в сатурованому і сульфітованому соках в 6...6,5 разів; у вапняному молоці в 6.2, а при експлуатації в нейтральних середовищах (конденсат випарних апаратів) за два сезони в 4...7 разів. Довговічність причіпних пальців бурякоелеватора підвищується в 3 рази, а ножів кутера в 5,2 рази, вовчків в 7 разів. Промисловими випробуваннями показано універсальність розроблених технологій інтенсифікацій дифузійних процесів при ХТО. Їх можна застосовувати при хромуванні, боруванні, азотуванні, комплексному насиченні тощо.

Теоретичні основи проекту. Динамічне контактування твердих тіл супроводжується безперервним підводом до трибосистеми механічної енергії, її розсіюванням та поглинанням. Дисипація механічної енергії відбувається переважно за реологічними механізмами, пов'язаними із проявом матеріалом непружності (в'язкості) і його трибохімічними властивостями, результатом яких є утворення продуктів топохімічних реакцій. Чим вище величина енергії, що розсіюється і менше рівень накопиченої енергії, яка іде на руйнацію, тим вище довговічність пари тертя.

Короткий опис, характеристика проекту. З єдиних позицій дисипативної природи ініційованих при зовнішньому навантажені явищ встановлено комплексний вплив реологічних і трибохімічних процесів на контактну міцність та довговічність елементів трибосистем, що є основою прогнозування їх працездатності. Встановлені особливості впливу фреттинг-корозії на схильність сталі до руйнування при втомних процесах і корозійному розтріскуванні та причини катастрофічного руйнування.

Розроблено комплекс унікального випробувального обладнання для дослідження реологічних властивостей матеріалів, який дозволяє проводити як розробку нових технологій зміцнення поверхні, так і оптимізувати існуючі. Встановлені реологічні принципи підбору матеріалів та методів їх зміцнення. Розроблено оригінальну технологію одержання комбінованих покриттів, яка реалізує принцип структурного демпфування. На основі регулювання кисневмісту мастильного середовища запропонований новий принцип удосконалення трибосистем.

Переваги:

• підвищення зносостійкості поверхонь технологічними методами в 1,6…5 разів;
• зниження коефіцієнта тертя в 6 разів при легуванні поверхні антифрикційними матеріалами в умовах контактування без змащення;
• зниження інтенсивності фреттинг-зношування в 55…60 разів при використанні комплексної полімерної композиції;
• нівелювання впливу фреттинг-корозії на тривалу міцність металів із підвищенням фреттинг-втомної міцності сталей на 10…35%; межі витривалості на 80…100%; фреттинг-втомної довговічності у 7…15 разів; обмеженої границі витривалості у 2 рази;
• підвищення протизношувальних властивостей мастил у 2…3 рази;
• нівелювання негативного впливу обводнення мастил на їх змащувальні властивості;
• уповільнення «старіння» мастил у 1,5…2 рази, що сприяє відповідному продовженню їх терміну використання.

Застосування. Розроблені технології поверхневого зміцнення деталей авіадвигунів та злітно-посадочних пристроїв літаків, впроваджені технологічні рекомендації із підвищення зносостійкості та запобігання фреттинг-зносу і фреттинг-втоми деталей термопластавтоматів: пар «клапан-наконечник» і «вісь-втулка», корпусу прес-екструдера, фільєри гранулярного ножа подрібнювача; застосовані технології відновлення розмірів зношених поверхонь для деталей транспортних засобів, сільгосптехніки та устаткування підприємств цукрової та харчової промисловості; удосконалена система змащення стаціонарних компресорів шляхом зниження вмісту розчиненого в мастильному середовищі кисню.

Впровадження наукових розробок

Значна частина наукових розробок кафедри впроваджена у виробництво. Зокрема, результати досліджень, які виконані під керівництвом проф. Каплуна В.Г. і доц. Пастуха І.М., впроваджені на десятках підприємств України та СНД. Розроблені технологічні процеси та обладнання екологічно чисті й дозволяють: підвищити (залежно від умов експлуатації) зносостійкість деталей машин та металоріжучого інструменту в 1,5…3,5 рази, деревообробного інструменту в 3…5 рази, штампів, прес-форм і форм для литва в 1,8…3 рази, зменшити витрати електроенергії на 30…40% і газів у 8...10 раз у порівнянні з існуючими аналогами.   Промислова установка для іонного безводневого азотування Розробки проф. Стечишина М.С. та доц. Лук’янюка М.В. впроваджені на Хмельницькому м’ясокомбінаті, Хмельницькій фірмі «АДВІС-Запчастина», ВАТ «Тернопільський комбайновий завод». На першому підприємстві впроваджені іонно-азотовані кутерні ножі для обробки ковбасного фаршу, що дозволило збільшити їх зносостійкість у 4 рази при переробці фаршу для ліверних ковбас і в 8...10 разів – для варених та копчених ковбас. На другому підприємстві в результаті впровадження розроблених технологій зміцнення зносостійкість матриці формування головки пальця після лазерного випромінювання збільшилась в 1,7 раз, а після комплексної ХТО в 2,5 рази. При цьому зносостійкість матриць вирубних штампів після іонно-плазмового азотування на 40% вища ніж після хромування і, навпаки, зносостійкість матриць формувальних штампів у 1,5 рази вища після термодифузійного хромування. Впровадження на Тернопільському комбайновому заводі робочих коліс, ущільнюючих кілець і кришок насосів, хромованих за розробленим способом (А.с. СРСР № 1277633) дозволило збільшити термін їх служби: робочих коліс – до 6, кілець – до 7,5 і кришок – до 15 разів. Наукові розробки проф. Каплуна В.Г., Кіницького Я.Т., Костогриза С.Г., доц. Пастуха І.М. впроваджені в навчальний процес. Зокрема, наукові розробки проф. Каплуна В.Г. лягли в основу спецкурсу «Підвищення міцності та зносостійкості деталей машин», розробки проф. Костогриза С.Г. використовуються в спецкурсі «Теорія коливання та віброзахист». Методи кінематичного аналізу та синтезу механізмів, розроблені проф. Кіницьким Я.Т., проф. Семенюком М.Ф. та доц. Харжевським В.О використовуються у курсах ТММ, ДМ, курсовому та дипломному проектуванні.

Наукова робота студентів

Студентською НДР керують всі викладачі кафедри. Щорічно в ній бере участь біля 30 студентів різних факультетів. Основна час¬тина студентів працює в наукових гуртках, яких на кафедрі функціо¬нує чотири: Дослідження кінематики багатоланкових шарнірно-важільних ме¬ханізмів за допомогою ЕОМ. Наук. керівник – проф. Кіницький Я.Т. Дослідження технології процесу іонного азотування. Наук. керів¬ник – проф. Каплун В.Г. Тертя та зношування в машинах. Наук. керівники – проф. Костогриз С.Г., проф. Семенюк М.Ф., проф. Стечишин М.С. Використання комп'ютерної техніки в навчальному процесі і нау¬ково-дослідній роботі. Наук. керівники – проф. Семенюк М.Ф., доц. Харжевський В.О.   Основні результати досліджень студенти доповідають на щорі¬чних науково-практичних конференціях університету. Як правило, та¬ких доповідей на кожній вузівській науково-технічній конференції бу¬ває 12–20. Деякі студенти виконують дипломні проекти, в основу яких покладені результати наукових досліджень, одержаних під керів¬ництвом викладачів кафедри (проф. Каплуна В.Г., проф. Костогриза С.Г., проф. Кіницького Я.Т. проф. Семенюк М.Ф., проф. Стечишина М.С., доц. Лук’янюка М.В. та ін.). 14 студентських НДР, що виконува¬лись під керівництвом викладачів кафедри, стали переможцями або призерами республіканських і всесоюзних конкурсів кращих студент¬ських робіт. Активних учасників студентської НДР кафедра рекомен¬дує до вступу в аспірантуру, де вони під керівництвом викладачів ка¬федри виконують кандидатські дисертації.

Наукова співпраця

Кафедра підтримує науково-технічне співробітництво з різними вузами, науковими закладами, промисловими підприємствами України і СНД, інших країн (Болгарії, Німеччини. Польщі, Росії). Зокрема, проф. Кіницький Я.Т. разом з викладачами Державного технічного університету «Київський політехнічний інститут» і Вінницького державного аграрного університету підготував до друку навчальний підручники «Теоретична механіка» та «Основи теорії машин і механізмів», навчальний посібник для самостійної роботи з теорії механізмів і машин; проф. Стечишин М.С. проводить спільні наукові дослідження з викладачами Національного університету харчових технологій та Національного авіаційного університету; доц. Олександренко В.П. – з викладачами Національного авіаційного університету. Професор, д.т.н. Каплун В.Г. і доц., к.т.н. Пастух І.М. проводять спільні наукові дослідження з НАН України (Інститутом проблем міцності, Інститутом надтвердих матеріалів, Інститутом проблем матеріалознавства), Національним державним університетом «Київський політехнічний інститут». Професор кафедри Семенюк М.Ф. підтримує творчі стосунки із факультетами машинознавства та природничих наук Інституту техніки, економіки та соціальних наук м. Циттау / Герліц (ФРН). Проводяться спільні роботи по дослідженню процесів тертя та зношування методом випадкових полів. У рамках цих досліджень аспірантами кафедри Терлецькою О.В. і Романишиною О.В. підготовлені та захищені дисертаційні роботи. Проводяться короткострокові та довгострокові стажування у ФРН, зокрема таке стажування проходив проф. Семенюк М.Ф., доц. Терлецька О.В. та Романишина О.В. Останні 5 років здійснюється активна наукова співпраця з провіднимми науково-навчальними закладами Польщі. Координацію кафедри по співпраці здійснює доц. Шалапко Ю.І. Вона охоплює такі заклади: інститут механіки Польської Академії наук (м. Варшава), інститут машинознавства Польської Академії наук (м. Радом), політехнічні університети міст Кракова, Жешова, Лодзя, Гливице. Шалапко Ю.І. є постійним членом наукового комітету конференцій «Вплив вібрацій на середовище», «Активний контроль динамічних процесів», «Електрофізична обробка». Щорічно колектив кафедри буру участь у міжнародних конференціях з трибології та динаміки машин. За цей час співробітниками кафедри було опубліковано більше 45 статей у збірниках наукових праць у Польщі. На сьогодні реалізовуються 2 наукові спільні проекти, пов’язані з контактною динамікою мікропереміщень та з впровадженням комп’ютерних технологій у матеріалознавстві.