CC BY
51
Федотов Александр Иванович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобильный транспорт», НИ ИрГТУ. Основные направления научной деятельности: диагностика автомобиля. e-mail: [email protected].
Доморозов Алексей Николаевич - кандидат технических наук, доцент. Основные направления
научной деятельности: диагностика автомобиля. e-mail: [email protected].
Нгуен Ньань Ван - аспирант, кафедра «автомобильный транспорт» НИ ИрГТУ. Основные направления научной деятельности: диагностика автомобиля. Общее количество опубликованных работ: 5. e-mail: [email protected].
УДК 621.822
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИЗНАШИВАНИЯ ТРИБОСИСТЕМ МАШИН НА ИХ ДОЛГОЛВЕЧНОСТЬ
В. Н. Кузнецова, В. В. Савинкин, А. Л. Дерман
Аннотация. Рассмотрены механизмы взаимодействия контактируемых поверхностей подвижного соединения с учетом различных видов трения.
Ключевые слова: трибологические свойства, внутренние напряжения.
Введение
В зависимости от характера смазки деталей машин различают 4 вида трения: без смазочного материала, граничное, гидродинамическое (жидкостное) и смешанное. В первом случае контактируют несмазываемые поверхности, покрытые окислыми пленками и тончайшими слоями молекул газов и воды, адсорбированными из окружающей среды. Во втором случае, помимо перечисленных пленок, присутствуют смазочные материалы в виде тонкого слоя толщиной в несколько молекул, которые прочно связаны с поверхностью. В третьем случае слой жидкой смазки полностью разделяет сопряженные поверхности. Смешанное трение наиболее полно отражает процессы, происходящие в паре трения. Данный вид трения присутствует практически во всех сопряжениях, но различные его элементы наблюдаются в определенных зонах контакта в различные моменты времени. Смешанное трение является наиболее сложным с точки зрения его моделирования. Исходя из этого, можно сделать вывод, что создание модели трибосистемы и описание закономерностей происходящих в условиях смешанной смазки является актуальной задачей в машиностроении.
Рассмотрим основные законы, модели, методы и средства для оценки трения, износа и фрикционного разогрева деталей машин.
При решении машиностроительных задач руководствуются следующими тремя законами трения, установленными еще Г. Амонто-ном и Ш.О. Кулоном:
- сила трения пропорциональна нормальной нагрузке;
- сила трения не зависит от формы и размера номинальной площади контакта;
- сила трения не зависит от скорости скольжения.
В современной интерпретации следует иметь в виду, что скорость существенно влияет на фрикционный разогрев, а последний влияет на трибологические характеристики подвижных сопряжений.
Общепринятыми теориями трения являются адгезионно-деформационная теория Бо-удена- Тейбора и молекулярно-механическая теория трения, предложенная И.В. Крагелъ-ским [1]. В основе этих теорий лежит представление о сближении двух шероховатых поверхностей при контактном взаимодействии. В результате деформирования материалов контактирующих тел поверхности начинают сближаться, приводя в контакт все большее число неровностей. Этот процесс продолжается до тех пор, пока площадь контакта не станет достаточной, чтобы нести нагрузку (рис.1.).
Пц/дадотип
1-"
Мщииатный износ
а) схема изменения шероховатости; б) график зависимости шероховатости
от периода изнашивания Рис. 1. Схема сближения двух шероховатых поверхностей при контактном взаимодействии
Модель Дерягина - Муллера - Токарева (ДМТ) рассматривает влияние упругих контактных деформаций на адгезию только для герцевского контакта. Равновесие достигается, когда деформация такова, что упругая реакция уравновешивает совместное действие приложенной внешней нагрузки и сил молекулярного притяжения.
В модели Джонсона -Кендалла -Робертса (ДКР) взаимодействие упругой сферы и жесткого полупространства ограничено только пределами площадки контакта. Для ее реализации используются расчетные давления по Герцу и Буссинеску.
Подавляющее число узлов трения дорожных, строительных, подъемно-транспортных и горнодобывающих машин и механизмов работают в условиях смазывания. В конце XIX века Н.П. Петровым, Б. Тауэром и О. Рейнольдсом было установлено, что эффективное смазывание имеет место при условиях, когда поверхности трения надежно разделены тонким слоем смазочного материала, толщина которого при рабочих условиях превышает суммарную высоту неровностей рабочих поверхностей сопряженных тел, а адгезионное взаимодействие между ними практически исключается, так как поверхности разнесены на расстояние, превышающее радиус действия адгезионных сил. Разделение поверхностей трения смазочным слоем осуществляется под действием давления, самовозбуждающегося в этом слое при относительном движении сопряженных поверхностей. Такой режим смазки называется гидродинамическим. Он обеспечивает минимальные потери на трение и практически полное отсутствие изнашивания трущихся тел. Для его реализации необходимо определенное сочетание нагрузки на узел
трения, скорости относительного перемещения элементов пары трения, геометрии контактирующих поверхностей, которые должны обеспечивать клиновидную форму зазора между ними, и вязкости смазочного материала [1].
В развитие теории гидродинамической смазки большой вклад внесли Н.Е. Жуковский, С.А. Чаплыгин, А.И. Зоммерфельд, Л.К. Гюм-бель, Ю.К. Машков, М.В. Коровчинский, С.М. Захаров и др.
Способность смазочных материалов образовывать прочные граничные слои достаточной толщины за достаточно короткие промежутки времени в значительной степени определяет долговечность и надежность тяжело-нагруженных смазанных трибосопряжений, работающих постоянно (например, в условиях высоких температур и нагрузок и/или низких скоростей относительного перемещения) или периодически (например, при пуске останове, в "мертвых точках" цилиндропоршневой пары двигателя внутреннего сгорания и т.д.).
Трение в условиях граничной смазки всегда приводит к изнашиванию трущихся тел, причем механизм изнашивания определяется природой граничных слоев, а последнее определяется природой смазочной среды и материала контактирующих тел и условиями процесса образования граничных слоев.
На отдельных участках температурной зависимости коэффициента трения могут быть реализованы умеренное адгезионное изнашивание (при температурах, меньших Ткр1), кор-розионно-механическое изнашивание (в интервале температур от Ткм до Ткр2) и интенсивное адгезионное изнашивание при температурах, больших чем Ткр2, и в интервале температур между Ткр1 и Т^х (рис. 2 )
0) в) 1 - металл: 2 - адсорбированный слой; 3 - химически модифицированный слой
Рис. 2. Обобщенная зависимость коэффициента трения от температуры при граничной смазке (д) и предполагаемые модели трения на участке ОАВ (б) и BCJE (в)
При этом в интервале температур от Ткм до Ткр2 необходимо учитывать два одновременно проходящих процесса: рост скорости образования модифицированных слоев и рост
скорости изнашивания этих слоев с ростом температуры в трибологическом контакте «Рисунок 3» [2, 3].
мигу!***!
_ ^
X) £ Л)
^Ут^^и, ' ■ I. * ' _1| _[_
с, л
с. г
* 1
Р.З-
У! I Ф)
о.^Ь
и}
давление рa = 0,45 МПа (а -з); 0,80 МПа (u-n); 1,1 МПа (р -х); изменение максимальной температуры на поверхности трения ^ах: а - 20...33,68 °С; б - 20...54,53 °С; в - 20...80,74 °С; г - 20...120,31 °С; д - 20...202,76 °С; е -20...1183,13 °С; ж - 20... 1114,98 °С; з - 20...1139,60 °С; и - 20...30,40 °С; к - 20...78,05 °С; л -20...95,74 °С; м - 20...147,92 °С; н - 1027,55 °С; о - 1088,87 °С; п - 20...1189,17 °С; р - 20...37,40 °С; с - 20...96,83 °С; т - 20...399,83 °С; у - 20...532,52 °С; ф - 20...767.56 °С; х - 20...1140 °С
Рис. 3. Характерные зависимости коэффициента трения f фрикционной пары из УФКМ по времени t при испытании на фрикционную теплостойкость
Эффективность используемых методов математико-физического моделирования в настоящее время не вызывает сомнений. Они позволяют в несколько раз сократить продолжительность процесса подбора пар для узлов трения с обязательным прогнозированием их
долговечности. При этом весьма существенен экономический эффект, особенно для крупногабаритных конструкций.
Однако при анализе условий функционирования деталей машин, предназначенных для каждой из таких подотраслей, целесооб-
разно выделить следующие семь факторов, определяющих механизм фрикционного взаимодействия:
- вид контакта (точечный, линейный, по поверхности), от которого зависит напряженное состояние и распределение нагрузки;
- коэффициент взаимного перекрытия ^ (^з= 1; 1 > > 0,1; ^зз < 0,1), важный для оценки процессов окисления и удаления продуктов изнашивания;
- вид смазки, обеспечивающей граничное трение или периодически полное разделение контактирующих поверхностей за счет гидродинамики;
- вид износа (ведущий), определяемый средой, в которой эксплуатируется трибосоп-ряжение, - механический, коррозионно-механический или тепловой;
- вид нагружения (основные признаки) -стационарный (как силовой, так и тепловой), теплоимпульсный и нестационарный;
- вид нагружения (дополнительные признаки) резко нестационарный с наложением вибрации; стационарный с дополнительным подогревом, который изменяет механизм распространения теплоты на фрикционном контакте; знакопеременный, изменяющий механизм изнашивания;
- негативные процессы в контакте, сопровождающие взаимодействие, такие как нарушение совместимости, возникновение автоколебаний и класс явлений, изучаемых трибо-фатикой (влияние трения на усталость материала и усталости на концентрацию напряжений).
Эти факторы обязательно учитываются при организации и проведении модельных испытаний.
Опыт эксплуатации и исследования элементов гидроприводов дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин показал (СДМ), что в процессе работы этих элементов, имеющие большие размеры и массу, могут возникать значительные нагрузки в сопряженных деталях. Как показал статистический анализ, главной причиной выхода из строя деталей является не их поломка, а износ сопряжений под влиянием внешних нагрузок и эксплуатационных факторов. Аналитическими исследованиями установлено, что на эффективность работы и срок службы деталей гидроприводов СДМ и ПМ, существенное влияние оказывают величина износа и изменение проектных геометрических параметров сопряжений, на которые влияют динамические нагрузки, и агрессивная среда эксплуатации.
Воздействие динамической нагрузки на ответственные детали гидропривода сопровождается всегда нагревом детали, изменением трибологических свойств и концентрацией внутренних напряжений. Протекание этих процессов обуславливает изменение внутренней микроструктуры металла как следствие высвобождении энергии свободных атомов.
Изменение проектной геометрии деталей «Рисунок 4» и микроструктуры металла «Рисунок 5» в процессе эксплуатации гидропривода, позволяет выдвинуть гипотезу о том, что на величину износа и скорость изнашивания влияет вектор приложения силы трения и концентрация внутренних напряжений. Именно внутреннее напряжение, возникшие в структуре кристаллической решетки металла делают его уязвимым к износу.
1-вал; 2-втулка; 3-величина отклонения от оси
при изнашивание. Рис. 4. Эпюра сил сопряженных деталей при изменении проектной геометрии
Рис. 5. Микроструктура изношенной поверхности
Исходя из выше сказанного, делаем вывод о том, что в теории изнашивания решены далеко не все задачи, а исследование износа и его процессов должно проводиться в новом
направлении учитывающее концентрацию внутренних напряжений металла.
Исследованиями [4,5] установлено, что за период эксплуатации гидроприводов в их деталях формируются зоны концентрации напряжений, снижающие усталостную прочность деталей, которые работают в условиях знакопеременных циклических нагрузок. Для сопряжения, подверженному износу и восстановлению, проведение исследований на концентрацию внутренних напряжений обязательно.
Разрушение под действием нагрузок циклически изменяющихся по времени (циклические напряжения) относят к усталостным. При изменении знака напряжения относят к знакопеременным, а при одном знаке - пульсирующими. Следовательно, при разработки модели трибосистемы необходимо учитывать усталостную нагрузку.
Понятие «модель трибосистемы» может быть определено как некоторая логико-математическая структура, имеющая систему переменных, соответствующих элементам трибосистемы. Данные элементы трибосистемы могут быть классифицированы как её основные подсистемы: подсистема выбора материала; прочностная подсистема; динамическая подсистема; подсистема контактирования; подсистема трения и изнашивания; термодинамическая подсистема.
Подсистема выбора материала. Предлагается методика построения математической модели выбора материалов деталей при проектировании узлов трения скольжения или материала покрытия и способа его создания. Материалы контактирующих поверхностей деталей пар трения скольжения выбираются в зависимости от свойств рабочей среды, ее температуры, давления, скорости скольжения, реакции в опоре (нагрузки), теплоотвода из зоны трения, графика межремонтных периодов и срока наработки узла на отказ.
Прочностная подсистема. Одним из важных факторов, существенно влияющих на износостойкость, величину износа и форму изношенных поверхностей, является давление. Знание реальной эпюры силового взаимодействия деталей пар трения позволяет повысить достоверность расчетов при обеспечении наработки узла на отказ. Для пары трения «вал-втулка» в рассматриваемой модели решаются следующие вопросы: определяется сближение в цилиндрическом стыке вследствие собственной деформации вала и втулки, определяется контактная равнодейст-
вующая давления в цилиндрическом стыке, описывается закон распределения нагрузки вдоль втулки, определяется зависимость давления от приложенной нагрузки. Перечисленные задачи решаются при следующем допущении: жесткий вал распределяет давления на упругодеформируемую втулку, что, в частности, реализуется при изготовлении последней из металлополимерных материалов.
Динамическая подсистема. Известно, что все материалы в большей или меньшей степени обладают вязкоупругостью и вязко-пластичностью. Эти свойства материалов, приводящие к изменению фактической площади контакта в зависимости от температуры и времени, описываются с помощью реологических моделей. В рассматриваемой модели трибосистемы используется модель Кельви-на-Фойгта, отражающая свойства реальных тел.
Подсистема контактирования. Первичной проблемой при изучении трения является контактирование соприкасающихся поверхностей. В понятие контактирования входит взаимодействие поверхностей твердых тел под действием относительного смещения и сжимающих сил с учетом их отклонения от идеальной формы и влияния среды (газы и смазочные материалы), присутствующей в зоне контакта.
Для решения задачи контактирования двух твердых тел необходимо представить модель поверхности, максимально приближенную к реальной поверхности и при этом имеющую минимальный набор входных параметров. Пространственная модель строится на основе стержневых конечных элементов [6].
В качестве исходных используются как стандартизованные параметры (среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии Ra; средний шаг неровностей профиля по средней линии Sm; ГОСТ 278973), так и пока не стандартизованные параметры волнистости (в продольном и поперечном направлениях: средняя арифметическая высота волны по средней линии Wa, Wz; шаг волны по средней линии Swа, Swz).
Общее уравнение профиля имеет следующий вид:
У = Л + кЯа • Яа • sin(R) + Жа • sin(W) ,
где Л - параметр, отражающий влияние радиального биения и других отклонений формы на профиль поверхности (1-5 мкм); кКэ - коэффициент, отражающий вероятность из-
менения среднего арифметического отклонения профиля от средней линии по закону нормального распределения; sin(R), sin(W) - значения синуса текущей (1-й) координаты профиля.
Профиль разбивается на стержневые конечные элементы в зависимости от поверхностной твердости материала и требуемой точности расчета.
Контактные деформации будут происходить, если выполняется условие
О- > Pi .
} = 2,5яУ/2 • p7/6 4 = п •Л(У + 1)^(к •От)2/3
30(1 -¡)(2ЯЖХН тхУ
Е •
о = Е • е = Е
Уп • йУ ;
Р1 =
р
I Ь • йх • п
где Е - модуль упругости, МПа; £ - относительное удлинение; уп - число итераций контактных деформаций; dy - шаг элементарного сближения, мм; l - толщина элемента, мм; P -общая нагрузка, Н; L - номинальная длина контакта, мм; dx - шаг разбиения, мм; п
- число элементов, вступивших в контакт.
Подсистема трения и износа. Процесс трения в значительной мере предопределяет износостойкость контактирующих деталей. Износостойкость характеризуется способностью поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении скольжения, трении качения, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций (фреттинг-процесс). Износ деталей машин приводит к потере точности; понижению КПД; понижению прочности; увеличению динамических нагрузок, которые являются следствием увеличения зазоров в сопряжениях; повышению уровня шума. Износ является причиной выхода из строя подавляющего большинства машин (до 80 %) и их деталей. Создание узлов с минимальными потерями на трение способствует высвобождению огромных ресурсов рабочей силы и снижению различных материальных затрат, в том числе ремонтных предприятий, которые в среднем по машиностроению составляют не менее 60-80 % основного производства [6].
С практической точки зрения задача установления связей и количественных соотношений между эксплуатационными показателями и параметрами качества поверхностного слоя весьма важна и актуальна.
При решении задачи определения взаимосвязи интенсивности изнашивания и параметров состояния поверхностей трения используется зависимость для расчета величины интенсивности изнашивания, предложенная А.Г. Сусловым [7],
где Rz - высота неровностей по десяти точкам, мкм; WZ - средняя высота волнистости по десяти точкам, мкм; Н^ - максимальная величина макроотклонений формы поверхности, мкм; ^ - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии; v -скорость в точке контакта; Sm - средний шаг неровностей, мкм; 2 - коэффициент, учитывающий знак и значение остаточных напряжений; от - величина остаточных напряжений, МПа; k - коэффициент упрочнения; p - давление, МПа; п - число циклов воздействия до разрушения поверхностного слоя; E, л - механические свойства материала заготовки.
Данная формула показывает, что износостойкость деталей машин характеризуется комплексным состоянием поверхностей трения. Несущая способность поверхностей деталей, их коэффициент трения и интенсивность изнашивания при трении скольжения наряду с шероховатостью определяются макроотклонением, волнистостью и физико-механическими свойствами (микротвердость и остаточные напряжения). Достижение так называемой равновесной шероховатости, зависящей только от условий трения, возможно после длительного процесса работы узла трения, когда стабилизированы все параметры состояния поверхностного слоя контактирующих деталей [7].
Термодинамическая подсистема учитывает исходную температуру элемента, среднюю объемную температуру элемента (обусловленную теплопроводностью материала детали) и температуру вспышки на пятне контакта.
Синтез элементов данной трибосистемы с использованием системного подхода позволит создать модель, адекватно описывающую процессы, происходящие в паре смешанного трения.
Библиографический список
1. Мышкин Н.К., Пстроковсц М.И. Трибология. Принципы и приложения. Гомель, ИММС НАНБ. 2002. 310с.
2. Буяновский И.А., Фукс И.Г., Шабалина Т.Н. Граничная смазка: этапы развития трибологии. М.: Издательство "Нефть и газ". 2002. 230с.
3. Основы трибологии. / Под ред. А.В. Чичи-надзе. М.: Машиностроение. 2001. 664 с.
4. 4Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя
деталей/А.Г. Суслов. - М.: Машиностроение, 1987. - 208с.
5. Рыжов, Э.В. Контактная жесткость деталей машин/ Э.В. Рыжов. - М.: Машиностроение, 1966. -193с.
6. Фролов, К. В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиностроения/ К.В. Фролов. - М.: Машиностроение, 1984.- 224 с.
7. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: учеб. для вузов / под ред. Д. Г. Громаковского. - Самара: СГТУ, 2000. -268 с.
DEVELOPMENT OF SCIENTIFIC BASES AND DETERIORATION OF A FRICTION IN
DETAILS OF ROAD, BUILDING, HOISTING-AND-TRANSPORT BOTH EXTRACTING CARS AND THEIR MECHANISMS
V. N. Kuznecova, V. V. Savinkin, A. L Derman
Mechanisms of interaction of contacted surfaces of mobile connection with the account of various kinds of friction are considered. The generalized dependence of factor of friction from temperature is received at boundary greasing and its influence on wear process . In the course
of researches development cycles «are presented model tribosystem» taking into account fatigue loading.
Кузнецова Виктория Николаевна - д-р технических наук, профессор, декан факультета МПП СибАДИ. Основные направления научной деятельности - Оптимизация рабочих органов землеройных и землеройно транспортных машин. Общее количество опубликованных работ: 90. email: [email protected]
Дерман Андрей Львович - старший преподаватель. кафедры «Автомобильный транспорт» Северо-Казахстанский Государственный университет им. М. Козыбаева (СКГУ), г.Петропавловск. Основные направления научной деятельности -совершенство технологии ремонта транспортных двигателей. Общее количество опубликованных работ: 3. e-mail: [email protected].
Савинкин Виталий Владимирович - к.т.н., доцент кафедры «Автомобильный транспорт». Основные направления научной деятельности -повышение долговечности и надежности СДМ технологичными методами. Общее количество опубликованных работ:56. E-mail
