ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.Трибология - наука трении и о процессах, сопутствующих трению, т.е. о таких процессах, как изнашивание контактирующих тел, их фрикционный нагрев, возникновение трибоэлектричества, акустические явления при трении и многие другие [44, 51, 86, 118].

Взаимодействующие сферические детали встречаются в различных областях жизни: в медицине, где важно обеспечивать качественное изготовление эндопротезов, функционирующих под нагрузками в теле человека, в металлообразующих операциях, где трение увеличивает износ инструмента и мощность, необходимую для обработки заготовки; в автомобильной промышленности, робототехнике и ряде других отраслей [7, 21].

Кроме полностью сферических трибосопряжений в современной технике существует большая группа деталей, конструктивным элементом которых является неполная сферическая поверхность. К таким относятся шаровые пальцы автомобильных шаровых шарниров, наконечники рулевых тяг, сферические вкладыши бойков механизмов ударного действия, шариковые подпятники, сферические наконечники штоков, стойки со сферическими головками фрикционных соединений рычажных механизмов, штоки клапанных механизмов со сферическими головками и другие [13].

Наиболее характерным представителем деталей этой группы является автомобильный шаровой палец, который входит в состав шаровых шарниров - узлов подвески современных автомобилей, определяющих безопасность их эксплуатации. Также к узлам трения можно отнести подпятник, который

представляет собой контактную пару трения, предназначенную для передачи осевого усилия от приводного механизма к запорному устройству [61].

Наряду с автомобильной промышленностью шарнирные, сферические подшипники и наконечники применяются в аэрокосмической области: в механизмах управления летательных аппаратов, автоматах перекоса на вертолетах; навесных узлах механизмов сельскохозяйственных машин, тракторостроении, железнодорожной промышленности, экскаваторах, подвесках тяжелых карьерных самосвалов, станкостроении, строительных и горнодобывающих машин; погрузочно-разгрузочном оборудовании; компрессорном оборудовании; энергетическом машиностроении и гидротехнических сооружениях и многих других областях техники [4 - 6].

Различные виды сферических поверхностей такие как грибовидные фрикционы и кулачковые механизмы с глобоидным и сферическим кулачками, входящие в состав угловых сферических соединений, шарнирных головок узлов поворотных механизмов, тяг, компенсаторов, соединения типа пята - подпятник (упорные подпятники) используются в таких механизмах как конвейерные ролики, крепления линейных цилиндров, сочленения рабочих органов строительных машин, манипуляторах и промышленных роботах; в некоторых устройствах космической техники (механизмы пространственной ориентации космических кораблей и механизмы планетоходов) [74].

Подшипником скольжения называют опору для поддержания вала (или вращающейся оси). В таком подшипнике цапфа вращающегося вала (или оси) проскальзывает по опоре.

Сферические подшипники скольжения обычно используют в поворотных сочленениях и медленно вращающихся узлах, особенно с меняющимися скоростями и направлениями вращения. Подшипники качения хуже работают в таких условиях, поэтому сферические подшипники скольжения более предпочтительны [45, 88].

Подшипники скольжения применяются ограниченно в тех областях, где они сохранили свои преимущества, а именно: для быстроходных валов, в режиме работы которых долговечность подшипников качения очень мала; для осей и валов, требующих точной установки; для валов очень большого диаметра (при отсутствии стандартных подшипников качения); когда по условиям сборки подшипник должен быть разъемным; при работе подшипника в воде, агрессивной среде для тихоходных валов неответственных механизмов и в особых условиях [75].

Также отдельной группой стоит выделить гидравлический (гидродинамический) подшипник. Он представляет собой практически герметичную конструкцию, применяемую для долговременного использования.

Гидродинамические подшипники получили широкое применение в машинах, благодаря простоте конструкции, хотя в периоды пуска и остановки, на малых оборотах они работают в условиях граничного смазывания или «сухого» трения.

Принцип действия гидродинамического подшипника основан на том, что связывающее звено между двумя движущимися поверхностями есть жидкость или масло, которые, двигаясь внутри подшипника, создают эффект подъёмной, центробежной силы. Это позволяет поверхностям практически не соприкасаться друг с другом и, следовательно, не изнашиваться по причине трения.

Гидродинамические подшипники долговечнее подшипников качения и подшипников скольжения, не требуют смазки, не забиваются пылью, так как имеют герметичную конструкцию [78].

Также их можно встретить в прецизионных современных станках, работающих при небольших нагрузках, особенно в шлифовальных; в насосах, вентиляторах для охлаждения персонального компьютера. Использование такого вида подшипников позволяет уменьшить шум и повысить эффективность системы охлаждения. Несмотря на разнообразие сферических трибоузлов, применяемых в различных областях жизни, отдельный их вид занимает место в медицине, где трибоузел со сферическими деталями должен являться аналогом сустава и

позволять выполнять необходимую функциональную работоспособность, заменяя естественный сустав.

Так, например, конкретно сферические детали применяются в эндопротезах тазобедренных суставах. Тазобедренный сустав человека имеет шаровидную, многоосную форму, образованную полулунной поверхностью вертлужной впадины тазовой кости и суставной поверхностью головки бедренной кости [8, 37]. И соответственно, эндопротез должен повторять такую же форму для обеспечения подвижности человека, имеющего проблемы с суставом.

Такие заболевания, как артрит, остеоартроз, анкилозирующий полиартрит, а также несчастные случаи, в виде перелома шейки бедра являются следствием сильной боли, и потери функции подвижности конечностей человека (рисунок 1.1) [34, 71].

Рисунок 1.1 - Тазобедренный сустав: а) здоровый; б) артрит сустава с изношенным хрящом; в) перелом шейки бедра

Лечение таких суставов осуществляют разными операциями: артродез (устранение сустава), синовэктомия (удаление синовиальной оболочки сустава), остеотомия (резекция кости на протяжении) и артропластика (создание нового сустава) [101, 117, 136, 139, 141].

Несмотря на успешность выполнения всех операций [105, 131, 134], наиболее эффективной и применяемой в настоящее время является артропластика, и (или)

операция эндопротезирования (рисунок 1.2), при которой новый сустав - эндопротез внедряется в тело человека с целью восстановления функции подвижности поврежденного тазобедренного сустава (рисунок 1.5).

Рисунок 1.2 - Основные этапы эндопротезирования

Каждый год в мире совершается более 800 000 операций по артропластики. Из них в Великобритании проводится около 40 000 операций эндопротезирования тазобедренных суставов и 18 000 операций по замене коленных [106]. В то время, как в России за 2011 год было выполнено 60 000 операций, а за 2012 год без учета данных частных клиник 80 000 операций по эндопротезированию крупных суставов (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Статистика эндопротезирования крупных суставов в федеральных округах России за 2011 год

Из них 91,6% приходится на первичные операции, 9,4% на ревизионные. При этом выделяют следующие причины ревизионного эндопротезирования:

асептическая нестабильность (68,4%), инфекция (20,9%), вывихи (5,2%), переломы (2,9%), другие (2,6%) (рисунок 1.4) [35, 103, 119, 139].

Рисунок 1.4 - Круговая диаграмма причин ревизионного эндопротезирования

Кроме того, нередки случаи, когда при производстве эндопротезов получаются дефектные компоненты, вызывающие проблемы со здоровьем пациентов и приводящие к ревизии тотального эндопротеза.

Проведенные исследования доказывают, что основной причиной снижения эффективности и разрушения имплантата является процесс износа в зоне контакта двух компонентов - чашки и головки эндопротеза тазобедренного сустава [102, 123, 137] (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Трибосопряжение эндопротеза

Трение является одним из главных составляющих факторов, существенно влияющих на износ и энергетическую диссипацию взаимодействующих поверхностей. Уменьшение износа и предотвращение разрушения компонентов эндопротеза является следствием уменьшения коэффициента трения за счет добавления смазочного материала в зону контакта при условии, что этот процесс должен быть управляемым и контролируемым [13, 56, 57, 76].

Контроль процесса трения, износа и наличия смазочного слоя ведется при помощи специализированных испытательных машин, которые непосредственно или косвенно оценивают параметры процесса взаимодействия головки и чашки эндопротеза (вибрационные, акустические, тепловые и другие способы контроля состояния трущихся поверхностей) [3, 12, 23, 50, 69].

Одним из таких методов, позволяющих в отличие от перечисленных выше практически безынерционно оценивать качество поверхности трибоузла, является электрорезистивный метод. Несмотря на успешность применения электрорезистивного метода оценки качества трибоузлов деталей и машин, данный метод не адаптирован к особенностям трибоузлов, состоящих из сферических тел и применяемых в медицине, а именно эндопротезов тазобедренных суставов с парой трения «металл-металл».

Таким образом, повышение объективности и достоверности диагностирования состояния трибоузлов со сферической формой деталей, а именно

эндопротезов тазобедренных суставов с парой трения «металл-металл» является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит уменьшить проникновение недоброкачественной продукции в клиническую практику и снизить субъективизм при выборе эндопротезов операторами-хирургами, повышая тем самым конкурентоспособность производимых на территории России эндопротезов крупных суставов с парой трения «металл-металл». Для решения существующей задачи предлагается разработать метод и средство получения диагностирования эндопротеза в динамике, основанные на электрорезистивном физическом принципе получения диагностической информации из зоны трения. Областью применения результатов данной работы являются этапы экспериментальных исследований по подбору материалов пар трения, трибоиспытаний и выборочного выходного контроля эндопротезов крупных суставов с парой трения «металл-металл».

Степень разработанности темы исследования

Для повышения качества эндопротезов (как и любых других пар трения) проводятся специализированные экспериментальные исследования (НИР и НИОКР) по подбору материалов пар трения и оптимизации их геометрии, а также трибологические испытания. Но на этих этапах имеется дефицит методов и методик диагностирования эндопротеза, позволяющих в достаточном объеме формировать представление о процессах, происходящих в зонах трения и определяющих основные показатели качества разрабатываемого эндопротеза. Кроме того, существующие методы диагностирования, применяемые в испытательных машинах, не позволяют в большинстве случаев практически безынерционно получать диагностическую информацию из зоны трения, не разрушая имплантат.

Наиболее существенный вклад в развитие электрорезистивных методов внесли такие ученые, как С.Ф. Корндорф, К.В. Подмастерьев, Н.К. Мышкин, В.В. Марков, В.В. Мишин, В.В. Кончиц, М. Браунович, В.Я. Варгашкин, А.Ф. Блинов, Е.В. Пахолкин, Д. Снидекер, С.А. Чижик, Т. Тэллиан, П.Н. Шкатов, Ю.М. Санько и ряд других. Несмотря на успешность применения электрорезистивного метода 13

оценки качества трибоузлов деталей и машин, данный метод не адаптирован к особенностям трибоузлов, состоящих из сферических тел и применяемых в медицине, а именно эндопротезов тазобедренных суставов с парой трения «металл- металл». Необходимость усовершенствования электрорезистивного метода диагностирования обусловлена требованиями учета биомеханики сустава, низкой скорости вращения одного из компонентов, отсутствия гидродинамического режима трения, низкоомного сопротивления скользящего контакта, геометрии поверхностей, наличия адгезионных, поверхностных, тонких смазочных и оксидных слоев.

Объектом исследованияявляется процесс трибовзаимодействия компонентов эндопротеза тазобедренного сустава с парой трения «металл-металл».

Предметом исследованияявляется математическая модель электрического контакта трибосопряжения, методика и алгоритм диагностирования трибоузла со сферической формой деталей (на примере эндопротеза тазобедренного сустава с парой трения «металл-металл»), базирующиеся на электрорезистивном методе.

Целью диссертационной работыявляется повышение достоверности технического диагностирования состояния трибоузла (на примере эндопротеза тазобедренного сустава с парой трения «металл-металл») электрорезистивным методом в динамике за счет применения новых и известных параметров, оригинальных алгоритма и средства диагностирования на этапах выборочного выходного контроля, трибоиспытаний и экспериментальных исследований по подбору новых материалов пар трения.

Задачами диссертационной работы являются:

1) обзор и анализ методов диагностирования трибоузла (на примере эндопротеза тазобедренного сустава с парой трения «металл-металл») на этапах выходного контроля, трибоиспытаний и экспериментальных исследований; обзор испытательных машин, позволяющих оценить качество изготовления эндопротезов суставов;

2) разработка математической модели, позволяющей имитировать сигнал электрического сопротивления взаимодействующих компонентов головки и чашки

эндопротеза с учетом их реальной и моделируемой макро- и микрогеометрии поверхностей; проведение теоретических исследований контурной площади контакта, электрического сопротивления в зависимости от параметров дефектов поверхностей; получение теоретических зависимостей параметров процесса электрической проводимости зоны трения от характеристик дефектов поверхностей;

3) разработка электрорезистивного метода диагностирования состояния поверхностей трибоузла; синтез диагностических параметров для оценки состояния поверхностей; разработка оригинального алгоритма и методики диагностирования трибоузла со сферической формой деталей;

4) разработка средства диагностирования состояния трибоузла, основанного на применении оригинального алгоритма обработки данных, с заданными техническими характеристиками;

5) проведение экспериментальных исследований, подтверждающих основные теоретические положения и работоспособность средства диагностирования;

6) оценка достоверности электрорезистивного метода диагностирования состояния трибоузла в динамике на этапах выходного контроля, трибоиспытаний и экспериментальных исследований по подбору новых материалов пар трения.

Методы исследования.Результаты работы получены на основе теорий контактирования шероховатых тел, механики дискретного контакта; методик расчета электрического сопротивления трибосопряжения, адаптированных к исследуемому техническому объекту; цифровой обработки полученных сигналов с использованием статистического, спектрального и вейвлет-анализа информативных данных.

Научная новизна работы:

1) получены математическая модель и теоретические зависимости параметров процесса электрической проводимости зоны трения, основанные на теории неадгезионного шероховатого контакта, и отличающиеся тем, что дополнительно учитываются в комплексе антропометрические данные,

циклическая и статическая нагрузки, взаимное влияние поверхностей, контурная площадь локальных дефектов и прочие факторы, определяющие качество контактной поверхности;

2) разработан метод диагностирования трибоузла со сферической формой деталей, основанный на электрорезистивном принципе получения информативного сигнала по характеристикам флуктуирующего электрического сопротивления, и отличающийся оригинальным алгоритмом диагностирования и совокупностью диагностических параметров, которые базируются на статистической оценке выборочной низко- и среднечастотной энергетических составляющих сигнала и позволяют определять состояние поверхностей непосредственно в динамике на этапах выходного контроля, трибоиспытаний и экспериментальных исследований по подбору новых материалов пар трения;

3) разработано средство диагностирования узла трения с парой «металл- металл» по электрическим параметрам, базирующееся на зависимостях электрического сопротивления от параметров дефектов поверхностей и отличающееся тем, что содержит дополнительные датчики угла поворота и силы в совокупности с электрическим каналом измерения.

Теоретическая значимость работысостоит в том, что предложена математическая модель, алгоритм диагностирования и совокупность диагностических параметров, развивающие теорию электрорезистивной трибодиагностики и позволяющие реализовать неразрушающий контроль и диагностирование поверхностей сферической формы деталей эндопротезов тазобедренного сустава с парой трения «металл-металл».

Практическая значимость работысостоит в том, что предложено средство диагностирования поверхностей эндопротеза тазобедренного сустава с парой трения «металл-металл» по электрическим параметрам, базирующееся на зависимостях электрического сопротивления от параметров дефектов поверхностей с учетом антропометрических данных и циклической нагрузки на сустав, и отличающееся тем, что оно содержит дополнительные датчики угла поворота и силы в совокупности с электрическим каналом измерения,

позволяющим оценивать состояния поверхностей в зоне трения трибосопряжения (патент на изобретение № 2615599, свидетельство регистрации программы ЭВМ № 2016615902).

Личный вклад авторазаключается в разработке математической модели электрического сопротивления контакта элементов в трибосопряжении со сферической формой деталей с парой трения «металл-металл»; организации, планировании и проведении экспериментальных исследований; разработке испытательного стенда; формулировке требований к разрабатываемому средству, усовершенствовании существующего электрорезистивного метода путем применения нового диагностического параметра и оригинального алгоритма диагностирования.

Положения, выносимые на защиту:

1) полученные математические модели и теоретические зависимости параметров процесса электрической проводимости зоны трения, позволяют распознавать и классифицировать качество контактной поверхности по диагностическому признаку (флуктуирующему электрическому сопротивлению) в динамике с учетом антропометрических данных, циклической и статической нагрузок, взаимного влияния поверхностей, контурной площади локальных дефектов, шероховатости и прочих факторов;

2) заложенные в основу разработанного электрорезистивного метода диагностирования трибоузла со сферической формой деталей оригинальный алгоритм диагностирования и диагностические параметры, базирующиеся на статистической оценке выборочной низко- и среднечастотной энергетической составляющих сигнала, позволяют определять состояние поверхностей непосредственно в динамике на этапах выходного контроля, трибоиспытаний и экспериментальных исследований по подбору новых материалов пар трения;

3) разработанное средство диагностирования узла трения с парой «металл- металл» по электрическим параметрам, базирующееся на зависимостях электрического сопротивления от параметров дефектов поверхностей и отличающееся тем, что содержит дополнительные датчики угла поворота и силы в

совокупности с электрическим каналом измерения, позволяет оценивать состояние поверхностей в зоне трения.

Степень достоверности и апробация результатов

Основные результаты работы представлены в ведущих журналах, а также доложены и обсуждены на научно-технических и научно-практических конференциях: XXIV международная научно-техническая конференция, 2015 г., г. Алушта; Информационные технологии в науке образовании и производстве («ИТНОП-2014»): VI Международная научно-техническая конференция, 2014 г, Орел; фундаментальные и прикладные аспекты создания биосферосовместимых систем: международная научно-техническая интернет-конференция, Орел, 2015; «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» XII-я Международная научно-практическая конференция, Курск, 2015; Гидродинамическая теория смазки - XXI: международный научный симпозиум - Орел: ОГУ И.С. Тургенева, 2016.

Публикации.По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 7 публикаций в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, 2 статьи, индексируемые в базе данных Scopus, получены 1 патент Российской Федерации на изобретение, 2 свидетельства регистрации программы для ЭВМ. Тематика была одобрена в рамках конкурса УМНИК 1-14­10: «Разработка комплексного метода и прибора диагностирования трибоузла эндопротеза тазобедренного сустава с парой трения «металл-металл» по спектральным и электрическим параметрам».

Структура и объем диссертационной работы.Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 144 наименования, восемь приложений. Основная часть работы изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 40 таблиц.