CC BY
84
УДК 629.4.027
В. В. АРТЕМЧУК, М. А. ГР1ЧАНИЙ (ДПТ), О. В. ЛЕМЕШЕВ (Служба локомотивного господарства Квденно-Захщно! залiзницi, Ки!в)
АДГЕЗ1ЙНИЙ МЕХАН1ЗМ ЗНОШУВАННЯ ПРИ ТЕРТ1
У статт розглянуто питання мехашзму адгезшного зношування. Наведено дш даного виду зносу на приклад1 роботи поглинального пружинно-фрикцшного апарату.
В статье рассмотрены вопросы механизма адгезионного изнашивания. Приведено действие данного вида износа на примере работы поглощающего пружинно-фрикционного аппарата.
The questions of mechanism of adhesion wear are considered in the article. The action of this type of wear is presented on the example of work of spring-friction shock absorber.
Процеси тертя та мехашзми зношення мате-р1ал1в е предметом дослщжень багатьох вчених. 1снуе декшька теорш, що пояснюють законом> рносп, пов'язаш з явищем тертя, а також кла-сифшацш зношування. Серед деталей затзнич-ного транспорту найбшьш поширеними видами зношення е втомлене, адгезшне, абразивне та фретинг. Розглянемо адгезшне зношування (схоплювання) бшьш детально.
Мехашзм схоплювання на даний час не мае однозначного визначення та пояснення [1]. Але при спрощеному визначенш можливо припус-тити, що адгезшне зношування можливе тод1, коли молекулярш зв'язки контактуючих повер-хонь при певних умовах бшьш мщш, шж зв'язок поверхневого шару з основою. Наслщ-ком цього явища е глибинне виривання частки матер1алу з поверхш, що зношуеться. Не див-лячись на р1зн1сть погляд1в, дослщники зб1га-ються в тому, що на процес схоплювання однозначно впливають таю чинники, як питоме на-вантаження та ф1зико-х1м1чний стан поверхонь. Костецьким Б. I. запропоновано дислокацшно-вакансшну гшотезу створення металевих зв'язюв, зпдно з якою головним чинником у процес схоплювання е активащя при терт по-верхневих шар1в металу в результат пластично! деформаци поверхонь. Дшсно, питомий тиск ютотно впливае на поверхню деташ, активуючи 11. Це положення зб1гаеться з припущенням, що при бшьшш пружносп контактуючих матер1ал1в в1рог1дн1сть прояву цього виду зношення менша пор1вняно з бшьш пластичними [2].
Як вщомо, робота сил тертя витрачаеться на створення тепла в зош контакту та поглинання енерги поверхневим шаром. Зауважимо, що по-глинена енерпя при пластичному деформуванш металу визначае кшетику накопичення пошко-джень (дефектов) структури. Поглинена (нако-
пичена) поверхневим шаром енерпя складае малу частину загально! енерги тертя. Активо-вана поверхня поступово насичуеться ваканс> ями, в точках фактичного контакту виникають дифузшш процеси i створюються металев1 зв'язки. У той же час, чим бшьше поверхня металу буде схильна до утворення вакансш, тим бшьше буде поглинатись енерпя при пластич-нш деформаци i, вiдповiдно, зношування вщ схоплювання.
Згiдно з дослiдженнями [3], в поверхневих шарах при тертi в умовах, близьких до виник-нення схоплювання, створюеться шар, структура якого подрiбнена пiд дiею температури, деформаци та перемшування часток. Також зроблено припущення, що в процесi адгезшно-го зношування локальна деформащя у п'ятнi контакту може приводити до втрати опору здвигу в цих точках i швидкого створювання та переносу деформовано! частки, схильно! до ад-гезп, оскiльки вiдомо, що опiр здвигу матерiалу обумовлюе iнтенсивнiсть деформаци. Якщо контактнi напруження незначнi, то пластична деформащя зерен вщбуваеться таким чином, що границ зерен i субзерен зорiентованi по на-прямку ковзання. Кристалгги також орiенту-ються в напрямку ковзання, що пояснюеться мiнiмальним напруженням деформаци [3].
З наведеного випкае, що вщносш здвиги ча-стин металу провокують нестабiльнi процеси тертя, мiж контактуючими поверхнями з'являються новi мiкроскопiчнi частки металу та окисли, яю, у свою чергу, значною мiрою ш-тенсифiкують зношування.
Процес схоплення носить випадковий характер i залежить вiд багатьох чинниюв. 1снуе припущення, що два контактуючих кристатта з однаковою орiентацiею за певних умов (тиск, температура, контактуючi матерiали) з'едну-
© Артемчук В. В., ^чаний М. А., Лемешев О. В., 2009
7
еться в один кристалт При контакт! двох крис-талiтiв з непаралельним розташуванням крис-талографiчних площин, тобто з рiзною орiента-цieю, мiж ними створюеться перехiдна зона. На створення перехщно! зони витрачаеться повер-хнева енергiя, яка вивiльняеться за рахунок пе-ребудови структури. Цей процес супроводжу-еться утворенням вузлiв зварювання. При руй-нуваннi вузлiв зварювання можуть бути вириви макро-, мшро- i субмiкроскопiчних частинок металу. Далi можливi рiзнi варiанти: видалеш частинки можуть виноситись iз зони контакту, можуть переноситись i прилипати до контак-туючих тiл. Можливий варiант, коли частинки окислюються i працюють мiж контактуючими тiлами як абразив.
Розглянемо дда адгезiйного виду зношуван-ня на прикладi поглинальних апаратiв пружи-но-фрикцiйного типу (рис. 1). Досвщ експлуа-тацп таких апарапв вказуе, що за наявносп пар тертя «сталь - сталь» спостертаеться високе зношування поверхонь тертя завдяки ефекту схоплювання зi зниженням ефективностi по-глинання енерги у процес експлуатацп. Однак, на жаль, замша юнуючих апаратiв новими по всьому рухомому складу не е можливою, тому постае питання покращення експлуатацiйних показниюв поглинальних апаратiв, якi експлуа-туються на даний час.
Як вщомо, поглинальнi апарати передають тяговi та гальмовi зусилля, але головним 1х призначенням е амортизацiя ударiв при манев-ровiй роботi та в процес руху локомотивiв та вагошв. При цьому перетворення кшетично! енерги удару в iншi види енерги в основному вiдбуваеться в зош тертя (3) мiж клином (1) та корпусом (2). При перемщенш фрикцшних клинiв виникае сила тертя, яка разом iз дiею пружин врiвноважуе силу, що стискае поглина-льний апарат. При цьому одним iз недолiкiв фрикцiйних апаратiв е стрибкоподiбний характер змiни сили опору при ударi [4]. Такий характер змши сили стискання iстотно впливае на знос елеменпв конструкци автозчепного пристрою рухомого складу, оскшьки значно збшь-шуеться число навантажувань. Згiдно з [4], стрибкоподiбна змiна сили при ударi е наслщ-ком ди автоколивань, якi переважно виникають в пружнiй системi та е наслщком зменшення коефiцiента тертя при збшьшенш швидкостi ковзання. Збудженi стрибками коливання окре-мих елементiв конструкци локомотива чи вагона можуть приводити до значних деформацiй навiть при невеликих ударах. Неврахування ав-
токоливального характеру удару може привести до помилки розрахунюв штенсивност пара-метричних вiдмов у 2,5 рази [6].
а 1 2
568
Рис. 1. Поглинальш пружино-фрикцшш апарати: а - Ш-1-ТМ; б - Ш-2-В; е - Ш-2-Т
На рис. 2 представлена фотографiя клину шсля пробiгу 100 тис. км. На поверхш чiтко помiтнi, так зваш, адгезiйнi шви, задери. В про-цесi експлуатацп контактуючi поверхш фрик-цiйного клина та корпуса поглинального апара-ту зчищуються вщ окiсних плiвок, збшьшуеть-ся фактична площа контакту, збiльшуеться сила тертя. Огляд контактуючих поверхонь клинiв
та корпус1в показав нершномфнии знос, що може означати нер1вном1рне розподшення тис-ку по поверхш контакту. Розрахункова схема поглинального пружинно-фрикцшного апарату (рис. 3) показуе розподшення сил, що д1ють на клин. Однак, зрозумшо, загальна схема не вра-ховуе нер1вном1рнють розподшення сил по всш площ1 контакту, оскшьки останш е випадкови-ми 1 залежать вщ багатьох чинниюв, наприклад, технолопчних (установка елемент1в поглинаю-чого апарату), експлуатацшних (змша геомет-ричних розм1р1в деталей внаслщок !х зношення, поява окисл1в при певнш перерв1 в робот апарату).
Розглянемо мехашзм зношування поверхш фрикцшного клина та корпуса поглинального апарату схоплюванням.
ФрикцшниИ клин може знаходитись у двох станах - покою або руху. При робот поглинального апарату поверхш, що труться, нагр1ва-ються, пластично деформуються, активуються, вщбуваеться перемщення клину на якусь вщ-стань (випадкову), на деякий час клин зупиня-еться, пот1м знову вщбуваегься «зрив», клин знову перемщуеться вздовж корпусу 1 так даль Довжина перемщення (стрибка) 1 час зупинки е випадковими { залежать вщповщно вщ статично! характеристики контактуючих поверхонь та кшетично! характеристики тертя.
Рис. 2. Фотографш фрикцшного клину
При вщносному перемщенш тш, у даному випадку фрикцшного клина вщносно корпуса поглинального апарату, тд д1ею високого тис-ку вщбуваегься пластична деформащя у точках контакту з утворенням мщних металевих зв'яз-юв. Тобто, на вщстанях порядку м1жатомних вщбуваеться схоплювання контактуючих поверхонь з видшенням енерги; у точках схоплювання зникае межа м1ж контактуючими тшами.
Рис. 3. Розрахункова схема поглинального пружинно-фрикцшного апарату (а) та сили, що дшть на клин (б)
Коли молекулярна взаемод1я м1ж схоплени-ми елементами бшьша, шж межа мщност ма-тер1алу, 1 при цьому тша продовжують взаемно перемщуватись, то вщбуваегься виривання ме-талу з поверхш Пщ час схоплювання та вщри-ву пластична деформащя поверхонь супрово-джуеться глибинним вириванням часток металу та створенням наплив1в на корпус поглиналь-
ного апарату. На робочш поверхш фрикцшного клину (рис. 2) помггш конусопод1бш глибою канавки з нер1вними краями, витягнут по на-пряму руху клину.
Одшею з юнуючих проблем, що приводить до автоколивань, е нестабшьшсть коефщенту тертя шд час роботи поглинального апарату, тобто зменшення коефщенту тертя при збшь-
шенш швидкосп вiдносного перемiщення фри-кцшного клину. Особливо небезпечним е схоп-лювання в крайньому стиснутому положены, коли тиск мiж фрикцiйним клином та корпусом досягае максимальних значень; тодi апарат або заклинюе, що фактично е аварiйним станом, або молекулярш зв'язки розриваються, i апарат
Для покращення роботи поглинального апа-рату необидно вжити низку заходiв конструк-цiйного i технологiчного характеру. Але для цього необхщно бшьш детально розглянути чинники, що впливають на роботу та зношення деталей поглинального апарату.
Аналiзуючи наведенi вище фактори роботи поглинаючих апаратiв iз парами тертя «сталь -сталь», можна припустити, що основними заходами покращення роботи е протидiя мехашз-му схоплення, яка полягае у наступному:
- необхщно уникати поеднань пар метале-вих матерiалiв з однаковою твердiстю, оскiльки такi пари схильш при незначних перевантажен-нях до утворень вузлiв зварювання, мають не-високу зносостiйкiсть i ненадiйнi в роботц
- необхiдно поеднувати рiзнi за твердiстю метали, що мають температуру рекристалiзацil, нижчу за середню температуру поверхнi тертя;
- враховуючи специфiку роботи поглинаючих апара^в, металевi сплави повиннi мати ви-соку теплостiйкiсть i, до того ж, мщнють робо-чого шару повинна бути меншою за мщшсть основного металу [3].
рiзко повертаеться в початкове положення з ударом по передньому упору та хвостовику ав-тозчепи. Вказаш фактори негативно впливають на динамшу рухомого складу, значно тдвищу-ють зношення деталей, а також можуть приво-дити до значних пошкоджень (рис. 4).
к
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Носовский, И. Г. О механизме схватывания металлов при трении [Текст] / И. Г. Носовский // Трение и износ. - 1993. - Т. 14, № 1. - К., 1993. - С. 19-24.
2. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ [Текст] / И. В. Крагельский, М. Н. Добы-чин, В. С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
3. Тарасов, С. Ю. Структурные изменения в металлических материалах в условиях адгезионного трения [Текст] : автореф. дис. ... докт. техн. наук. - Томск, 2008.
4. Никольский, Л. Н. Амортизаторы удара подвижного состава [Текст] / Л. Н. Никольский, Б. Г. Кеглин. - М.: Машиностроение, 1986. -144 с.
5. Кеглин, Б. Г. Параметрическая надежность фрикционных устройств [Текст] / Б. Г. Кеглин. - М.: Машиностроение, 1981. - 136 с.
6. Вагоны [Текст] / под ред. Л. А. Шадура. - М.: Транспорт, 1980. - 433 с.
Надшшла до редколеги 15.09.2009.
Прийнята до друку 23.09.2009.
Рис. 4. Пошкодження корпусу поглинального апарату Ш-2-В
