Исследование температурного режима в трибосопряжениях при наличии покрытий на контактирующих телах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621-2.002.2

А. Н. Литвинов, Н. Е. Денисова

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА В ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯХ ПРИ НАЛИЧИИ ПОКРЫТИЙ НА КОНТАКТИРУЮЩИХ ТЕЛАХ

Рассмотрена задача расчета температуры вспышки в зоне контакта три-босопряжений при наличии на контактирующих телах антифрикционных покрытий. Проведены исследования влияния физико-механических характеристик покрытий, в том числе и образованных в результате реализации эффекта избирательного переноса, на температурный режим в зоне контакта. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными.

Введение

Разработка мероприятий по повышению долговечности трибосопряже-ний (ТС) является весьма актуальной задачей, поэтому инженерии поверхностей элементов ТС, в частности при применении антифрикционных покрытий, уделяется большое внимание [1].

Для вновь проектируемых машин существуют различные способы выбора материалов ТС: используют данные аналога, информацию по износостойкости, прочности, твердости и др. В качестве интегрального показателя при выборе материала или покрытий ТС целесообразно использовать температуру вспышки на контактирующих поверхностях. Актуальной задачей является создание модели расчета температуры вспышки на контактирующих поверхностях с покрытиями. Решение поставленной задачи позволяет анализировать влияние основных параметров конструкции и характеристик материалов на температуру вспышки и на этой основе уже на стадии конструкторской разработки подбирать необходимые материалы покрытий и выбирать оптимальные режимы работы для контактирующих элементов конструкции.

Анализ результатов исследований фрикционного контакта [2] показывает, что величина температуры вспышки существенно зависит от теплофизических характеристик материалов контактирующих поверхностей, скорости скольжения и фактического давления на площадке контакта (ПК). Кроме того, величина температуры вспышки зависит и от упругих физических постоянных материала, существенно определяющих величину деформаций в зоне фактической площади контакта (ФПК). В инженерной практике для расчета температуры вспышки обычно используются формулы Х. Блока и

А. В. Чичинадзе [3, 4]. Однако эти формулы не учитывают наличия антифрикционных покрытий на поверхностях ТС.

1 Алгоритм расчета температуры вспышки на контактирующих поверхностях с антифрикционными покрытиями

Температура вспышки - это кратковременное превышение температуры на фактических пятнах контакта над средней объемной температурой при прохождении неровностей через зону контакта. Она оказывает значительное влияние на режим работы ТС. Одним из эффективных способов уменьшения температуры вспышки в зоне контакта является нанесение на контактирующие поверхности покрытий из материалов с высокими теплофизическими и антифрикционными характеристиками.

Так как зона контакта является достаточно малой, то принимаются следующие гипотезы:

- количество тепла, выделяемого в зоне контакта за счет трения, передается контактирующим телам практически без потерь;

- контактирующие тела являются полубесконечными твердыми телами, т.е. размеры фактической ПК малы по сравнению с радиусами кривизны контактирующих тел;

- для движущегося источника тепла тепловой поток на ПК рассматривается как одномерный, распространяющийся по нормали к контактирующим поверхностям;

- теплофизические величины для материалов контактирующих тел в исследуемом температурном диапазоне постоянны.

Расчетная модель показана на рис. 1, где 1 - слой покрытия; 2 - основной материал; 4 - толщина слоя покрытия; х, у - система координат; Х1, Х2 -коэффициенты теплопроводности материала покрытия и основного материала соответственно; к1, к2 - коэффициенты температуропроводности в слое покрытия и основного материала. Расчетная модель соответствует такому случаю, когда вследствие относительного движения поверхности обеих деталей проходят через зону контакта с некоторой относительной скоростью. Так как покрытие имеет малую толщину, то слой основного материала считается достаточно толстым. Для рассматриваемой области решение уравнения теплопроводности [5] после преобразования методами операционного исчисления записывается в виде

где d0 - приращение температуры вспышки на поверхности; а =(1-ю)/(1+ю),

лового потока, движущегося по поверхности слоя х = 0 (рис. 1); ґ - время.

Так как теплота, вызываемая трением, пропорциональна величине контактной нагрузки и коэффициенту трения, то область распределения теплового потока является эллиптической и ее можно представить в виде двух парабол [6]. В этом случае интенсивность теплового потока можно описать следующим выражением:

(1)

безразмерные параметры; dq - приращение интенсивности теп-

q = qo

І0

(2)

где q0 - максимальное значение теплового потока; /0 = Ь - половина ширины контактной площадки; V - скорость относительного скольжения теплового источника в зоне контакта; е - время прохождения части площадки контакта; е = т - ґ - время; т - время прохождения зоны контакта.

Рис. 1 Модель расчета величины температуры вспышки

Используя выражение (2) и выполняя интегрирование в уравнении (1), получим выражение для определения поверхностной температуры вспышки

0 в произвольной точке контактной площадки С (см. рис. 1):

0= к1% 2А^ пк1

1 (у -

/02

d е

г +

л/т-

гexp

Тт-

(п/к )2

+3а £ ап |

п=0 0

1 (еу -10 )

/02

к1 (т-е) 1

£ аП {

п=0 0

d е +

1 (еу - /0)

/02

гexp

( п +1)2/2 к1(т-е)

d е

(3)

Для обобщения результатов вычислений введем безразмерное выражение температуры вспышки Т:

Т =

0.

2%0

(4)

Выполняя интегрирование в (3) с учетом (4), получим следующее уравнение для определения температуры вспышки:

т = Л/ 2 шр

п=0

+4 ^З3 -1Р) ЬИ2 X апп2 ехр ^-2п2И2 Ь ] - Ц Ь2И4 X ап ехр |-2п2И2 р -

-^ £ ап егбс

(

п=0

пИА

Р

Л

21.

пИ^Ц- 2Р(2 - Р) + 3 п3И3 (21 )3/2 -^(1 - Р) -

8 5 7 5

------п

15

)/2 _1_ I #1

п=0

И5 (2Ь-р + 12Р[ 3 - 12ТР ] X ап+1 ехр | -2(п +1)2 И2Ь | +

+121 3 -5Р JЬИ2 X ап+1(п +1)2 ехр^-2(п +1)2 И р

п=0

\2 , 2 Ь

-16Ь2И4 X ап+1(п +1)4 ехр I -2(п +1)2 И 5 п=0 1 Р

--л/я£ ап+1егБ: (п + 1)и [2Ь ¡2(п + 1)И 12ЬЬ-Р(2-Р) +

2 п=0 I V Р у [ V р

+|(п +1)3 и3 (2Ь)2 - Р) -15(п +1)5 и5 (2Ь)5/2

\2 ,2 Ь

(5)

2

где егТс(х) = 1 - егДх), а егТ(х) = ^= [ ехр(-^2)^£, - функция ошибок от па-

раметра х.

В работе (5) введены следующие безразмерные параметры: Ь =

%¥

V1о 2&1

безразмерная скорость скольжения в зоне контакта тел; Р = — - безразмер-

10

ная координата, определяющая положение произвольной точки С на площадке контакта; точке А соответствует Р = 0, точке О - Р = 1, точке В - Р = 2; И =

1И / 10 - относительная толщина поверхностного слоя.

Рассмотрим контакт ТС с покрытиями толщиной 4/. В самом общем случае считаем, что поверхностные слои и основной материал контактирующих тел имеют разные теплофизические характеристики и к/, где к, / = 1, 2 -

индексы, соответствующие обозначению номера слоя и тела (рис. 2).

Используя соотношения (4), (5), получим следующее выражение для температуры вспышки на поверхности /-го тела:

0 = 2к1/<?0 т ] =ад-

где Tj определяется из уравнения (5) при подстановке Л1=Л1/-; к = к1;- и А2=А2;-; к2 = k2j.

Если считать, что температура поверхностей контактирующих тел одинакова, а количество тепла, выделяющегося на ПК, определяется коэффициентами теплопередачи (¥ - на первое тело и 1 - V на второе), то получим

следующее выражение для температуры на ПК:

0 = ¥2Г1!г 71. (7)

ЯКцУ 1

Коэффициент теплопередачи при этом определяется выражением

¥ =---------к^-------------------------------. (8)

к11^'12Т1У2 + к12^11Т2У1

Максимальное значение интенсивности теплового потока, выделяющегося на ПК, рассчитывается по формуле

40 = т3-5Р(У -V?), (9)

410

где / - коэффициент трения; Рь - погонная нагрузка; 5 - коэффициент учитываемой нагрузки, величина которого зависит от геометрии соприкасающихся поверхностей и особенностей работы конструкции в зоне контакта.

2 Анализ результатов расчета относительной температуры вспышки

Результаты расчета относительной температуры вспышки (5) в зависимости от основных параметров Р, ю, Ь, И приведены на рис. 2.

Зависимости величины температуры вспышки от этих параметров являются нелинейными.

На рис. 2,а показаны зависимости температуры вспышки от Р при различных значениях параметра ю, определяющего теплофизические свойства покрытия. Значение ю = 1 соответствует отсутствию покрытия, ю < 1 - соответствует тому, что тепловые свойства поверхностных слоев лучше, чем у основного материала (ц > Х2); ю > 1 - соответствует тому, что тепловые свойства поверхностных слоев ниже, чем у основного материала (?ц > Х2). Фиксированные параметры (Ь, И) указаны на поле рисунка. Штриховой линией показано положение максимальных значений температуры вспышки Т. Анализ представленных зависимостей показывает, что максимум Т расположен на площадке контакта при 1 < Р < 2 и при уменьшении параметра ю смещается в сторону задней границы источника тепла, что является следствием тепловой «инерционности» системы.

На рис. 2,б,в,г показаны зависимости максимальных значений температуры вспышки: при различных значениях ю от скорости скольжения и толщины поверхностного слоя, которые определяются безразмерными параметрами Ь и И. Из представленных зависимостей следует, что при увеличении относительной скорости скольжения V = У - У2 в зоне контакта величина максимальной температуры вспышки возрастает.

30

25

20

15

10

Т 11=0,05 Ь= 5

/ / / / / / (В =0,1

/ 1 / 1 / 1 / /К. 0,2

/ 1 / 1 / 1 / 1 > 0,35

//// / г 0,5 0,75

/////О 1 1.5 2 г=5_10

1,0

2,0

б)

3 5 10

30 50 100

б)

5

0

в

1

Рис. 2 Зависимость температуры вспышки от различных параметров

Установлено, что при малых толщинах покрытия (И = 1И/10 < 0,1) влияние параметра ю на величину максимальной температуры вспышки существенно, а в тех случаях, когда толщина покрытия имеет порядок ширины площадки контакта (И > 0,3), влияние параметра ю, определяющего теплофизические свойства слоя покрытия, на величину температуры вспышки уменьшается. Анализ представленных зависимостей показывает, что существенное, например с разницей на порядок, увеличение толщины покрытия не является эффективным, особенно при больших скоростях скольжения. Например, при относительной толщине покрытия И = 0,5 и безразмерной относительной ско-

рости L > 10 (рис. 3,в) даже улучшение теплофизических характеристик слоя покрытия (изменение ю) слабо сказывается на изменении температуры вспышки на площадке контакта.

Представленные зависимости, построенные в безразмерных параметрах, можно рассматривать как номограммы, позволяющие на основе теоретических расчетов определять величину температуры вспышки в зоне контакта в зависимости от фактических значений безразмерных параметров, которые определяются по фактическим размерным параметрам для конкретной рассматриваемой контактирующей пары. Размерное значение температуры вспышки в зоне контакта определяется на основании приведенных номограмм и далее по формуле (6). На основе разработанного алгоритма проведен расчет величины температуры вспышки в зоне контакта различных ТС.

3 Расчет температуры вспышки в зоне контакта шпуледержателя и направляющего паза корпуса челнока промышленной швейной машины

Предложенный алгоритм был применен к расчету величины температуры вспышки на трущихся поверхностях пояска шпуледержателя и направляющего паза корпуса челнока промышленной швейной машины, который по расчетной схеме соответствуют подшипнику скольжения. Рассмотрены различные варианты покрытий:

- поверхность направляющего паза корпуса челнока без покрытия (сталь ШХ-15);

- гальваническое хромирование пояска шпуледержателя;

- защитная медная пленка, формирующаяся на трущихся поверхностях в результате реализации эффекта избирательного переноса.

Исходные данные имели значения: V = 23,1 м/с - скорость скольжения в паре трения шпуледержателя и корпуса челнока; f = 0,08 - среднее значение коэффициента трения; 8 = 0,8. Толщина покрытия lh варьировалась. Полуширина площадки контакта определялась из решения контактной задачи [7] при погонной нагрузке в зоне контакта PL = 2,5*105 Н/м. Результаты расчета приведены в таблице 1, где введено понятие коэффициента эффективности покрытия, который определяется как

к=max.® (10)

max ©0

Здесь max© и max00 - максимальные значения температуры вспышки для контактирующих поверхностей с покрытием и без покрытия соответственно. Этот коэффициент характеризует снижение температуры вспышки (Кп < 1) или ее увеличение (Кп > 1) в зоне контакта при наличии покрытия.

Таблица 1

Результаты расчета температуры вспышки ТС элементов челнока

Вариант покрытия Толщина покрытия, lh, мкм max©, °С Коэффициент Кп

Без покрытия (сталь) 0 606 1

Гальваническое хромирование 10 453 0,75

15 434 0,72

Медная пленка 1 479 0,79

2 394 0,65

3 349 0,57

Анализ результатов проведенных расчетов позволяет сделать следующие выводы:

- наличие защитной медной пленки значительно снижает величину температуры вспышки на стальной поверхности направляющего паза корпуса челнока. Толщина пленки обычно не превышает 1.. .2 мкм, что практически не влияет на величину зазора сопрягаемых поверхностей;

- гальваническое хромирование также снижает величину температуры вспышки. За исходные данные для расчета были выбраны оптимальные значения толщины покрытия. На практике толщина хромового покрытия колеблется от 3 до 20 мкм.

С целью обоснования теоретических исследований были проведены натурные испытания челноков. Результаты измерения средней поверхностной температуры Тп приведены на рис. 3.

Тп, °С

40

20

Рис. 3 Изменение температуры трущихся поверхностей деталей челноков при смазке: 1 - И-Л-А-15 (И-12А); 2 - И-Л-А-15 + 0,3 % МКФ-18 (И-12А + 0,3 % МКФ-18)

Испытания проводились при смазке челнока обычным маслом И-Л-А-15 (И-12А) и маслом И-Л-А-15 (И-12А) с добавлением 0,3 % медесодержащей присадки МКФ-18У.

Анализ полученных результатов показывает:

- использование в качестве смазочного материала масла с медьсодержащей присадкой приводит к образованию защитной медной пленки, наличие которой подтверждено исследованием трущихся поверхностей деталей челноков методом электронной микроскопии;

- защитная медная пленка приводит к уменьшению величины температуры вспышки и, как следствие, средней температуры трущихся поверхностей деталей Тп на 10.15 °С по сравнению с челноками, которые смазывались обычным маслом И-Л-А-15 (И-12А);

- в процессе ускоренных натурных испытаний некоторые челноки, смазываемые обычным маслом, досрочно снимались с машин, т.к. перегрев их превышал допустимые нормы, детали приобретали окраску цветов побежалости и были покрыты продуктами износа хрома (гальваническое покрытие).

При смазке маслом с медьсодержащей присадкой подобных случаев не наблюдалось;

- уменьшение температуры трущихся поверхностей пары трения скольжения является одной из причин снижения износа деталей челноков в 2.. .3 раза, что приводит к увеличению их показателей долговечности (ресурс, срок службы).

Заключение

Предложена модель расчета температуры вспышки на контактирующих поверхностях трибосопряжений, учитывающая наличие на них антифрикционных покрытий и позволяющая на стадии проектирования подбирать рациональные покрытия и конструкционные материалы деталей ТС, а также прогнозировать температурный режим в зоне контакта ТС.

Приведенные расчеты и эксперименты подтверждают высокую эффективность введения антифрикционных покрытий на поверхностях контактирующих деталей ТС для снижения температуры вспышки. Это приводит к улучшению температурного режима работы в зоне контакта и, как следствие, к снижению износа поверхностей контактирующих деталей и увеличению долговечности трибосопряжений.

Список литературы

1. Инженерия поверхности деталей машин / под общ. ред. А. Г. Суслова. - М. : Машиностроение, 2007. - № 3. - 24 с. - (Приложение № 3 к инженерному журналу «Справочник»).

2. Дроздов, Ю. Н. Трение и износ в экстремальных условиях / Ю. Н. Дроздов,

В. Г. Павлов, В. Н. Пучков. - М. : Машиностроение, 1986. - 224 с.

3. Blok, H. Theoretical Study of Tempersture Rise at Surfaces of Actual Contact Under Oilness Lubricating Condishions / H. Blok // Proc. of Gen. Discussion Lubrication and Lubricants, Instn. Mech. Engrs. - 1937. - Vol. 2. - Р. 222-235.

4. Основы трибологии / под ред. А. В. Чичинадзе. - М. : Машиностроение, 2001. -664 с.

5. Terauchi, Y. Studies on Scoring of Spur Gears / Y. Terauchi, H. Nadano // Bullen of the JSME. - 1979. - V. 22. - № 164. - February. - Р. 226-233.

6. Terauchi, Y. Scoring Resistance of Corper-Gear / Y. Terauchi, H. Nadano, М. Kokno // Bulleten of the JSME. - 1984. - V. 27. - № 232. - October. - Р. 2287-2294.

7. Денисова, Н. Е. Основы проектирования металлоплакирующих смазочных и защитных композиций / Н. Е. Денисова, А. Н. Литвинов, В. А. Чуфистов. -Пенза : Изд-во ПензГУ, 1997. - 72 с.