Износостойкость как свойство материалов трибосопряжения и условий эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

of Eastern Siberia trench excavators : monograph. Krasnoyarsk: IPK SFU, 2010. 140 p.

2. Vasilyev S. I., Eresko S. P. Research of process of cutting of soil with gravel and pebble inclusions by rotor working bodies // Systems. Methods. Technologies: scientific periodic magazine, No. 4 (8). Bratsk: Public Educational Institution of Higher Professional Training BRGU, 2010, p. 145-153.

3. Eresko S. P., Zhubrin V. G., Shustov V. L. Development and research of mathematical model of a hydraulic actuator of the boring car // Construction and road cars. 2009, no. 3, p. 37-41.

© Xaxa^HH M. H., ®y6pHH B. r., 2014

УДК 336

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ КАК СВОЙСТВО МАТЕРИАЛОВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯ

И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

С. Г. Чулкин

Государственная полярная академия Российская Федерация, 192007, г. Санкт-Петербург, ул. Воронежская, 79, а/я 533 E-mail: sergej.chulkin@yandex.ru

Разработан подход, позволяющий заменить понятие «износостойкость материала» на «износостойкость трибосопряжения». Данный подход учитывает известные условия эксплуатации и случайные факторы. Кроме того, он препятствует распространению ложных качественных оценок, основанных на тенденциозно выбранных результатах единичных, а не систематизированных экспериментов.

Ключевые слова: износостойкость, коэффициент трения, материал, трибосопряжение.

WEAR RESISTANCE AS A PROPERTY OF TRIBOUNIT MATERIALS AND OPERATING CONDITIONS

S. G. Chulkin

State Polar Academy p.o.box 533, 79, Voronezskaya str., Saint-Petersburg, 192007, Russian Federation E-mail: sergej.chulkin@yandex.ru

The approach that allows to replace the concept of "wear resistance" to "tribomating durability" is developed. This approach takes into account the known operating conditions and random factors. In addition, it prevents the spread offalse qualitative assessments based on the results of single tendentiously selected, not systematic experiments.

Keywords: wear resistance, friction coefficient, material, tribounit.

Каждый материал обладает некоторым набором свойств. Обычно в качестве свойств твердых материалов упоминают плотность, электропроводность, теплопроводность, прозрачность для излучений различной природы, прочность, упругость, химическую активность, магнитные свойства и др. Каждое из известных свойств является предметом тщательного научного исследования. Все они описываются одной или несколькими константами (удельный вес, предел прочности, модуль упругости). Знание подобных констант имеет важнейшее значение для инженерной практики, без них невозможно выполнить ни один современный проект в области производства и эксплуатации технических средств. Однако стандартизованной номенклатуры свойств материалов и соответствующих ей показателей с корректно установленными численными значениями в настоящее время нет.

Область науки, получившая название «Трение и износ в машинах», занимается изучением, главным

образом, двух процессов, а именно: процесса взаимного перемещения твердых тел и процесса изнашивания поверхностей тел, участвующих в процессе взаимного перемещения.

Основным объектом исследования при изучении процесса взаимного перемещения твердых тел является сопротивление этому процессу, которое характеризуется силой трения. Существует несколько математических уравнений для расчета силы трения. Наиболее известным из них принято считать уравнение Амонтона - Леонардо-да-Винчи:

^ = f N , (1)

где ^ - сила трения; f - коэффициент пропорциональности; N - сила нормального давления.

В среде практических инженеров (конструкторов, технологов) широко укоренилось мнение о том, что уравнение (1) предназначено для расчетов сил трения. Оно является простым и удобным, для практических

Решетневскуе чтения. 2014

расчетов достаточно лишь знать численное значение коэффициента / который получил название «коэффициент трения». Однако те же инженеры давно заметили [1-3], что сила трения зависит не от одного фактора (силы нормального давления), а является функцией большого количества факторов (скорость скольжения, физические свойства тел, наличие и свойства смазочной среды и др.). Более того, многие исследователи отмечали, что при равных условиях испытаний различных пар трения наблюдается большой разброс значений коэффициента / который может достигать десятков процентов. Поэтому попытки назначить «коэффициент трения» неким свойством материала не получили поддержки инженерного сообщества. Попытки провозгласить другую крайность также не получили поддержки. Имеется в виду полный отказ от использования уравнения (1) как не отражающего реальную физическую картину. На самом деле уравнение лишь характеризует справедливое утверждение о том, что сила трения всегда прямо пропорциональна силе нормального давления. На практике сложился определенный компромисс. Все используют для расчетов уравнение (1), понимая при этом, что коэффициент пропорциональности / не является константой для материала, а сам выступает в качестве функции многочисленных факторов. Обычно для каждого три-босопряжения численное значение коэффициента / определяют экспериментально в достаточно широком диапазоне скоростей, контактных давлений, смазки и т. п. и представляют в табличной форме или в виде следующего уравнения:

/ = ф^ v, Яа, ст^ ст^ р...Х (2)

где/- коэффициент трения; q - контактное давление; V - скорость скольжения; ст1, ст2 - параметры, характеризующие свойства материалов подшипника и контртела; р - параметр, характеризующий свойства смазочной среды.

Параметры ст1, ст2 и р могут не выступать в явном виде, а лишь обозначать принадлежность к тому или иному материалу в виде индексов при / [3]. Более сложной представляется проблема математического описания процесса изнашивания при трении, расчета абсолютных значений износа.

Применительно к фрикционным и антифрикционным материалам неоднократно предпринималась попытка директивно объявить «износостойкость» одним из свойств материала, предложить тот или иной критерий износостойкости и тем или иным способом определить его численно. Авторам статьи не удалось установить, кому принадлежит приоритет подобного утверждения. Можно лишь констатировать, что оно получило достаточно широкое распространение на территории бывшего СССР в признанных научных школах и в высказываниях известных ученых. Причина такого распространения, скорее всего, находится не в области физики твердого тела, а в области психологии человека. Действительно, заманчиво с помощью одного критерия определять возможные износы деталей машин, т. е. прогнозировать долговечность технических средств. Этот принцип стал широко использоваться разработчиками и поставщиками различных антифрикционных и фрикционных материа-

лов. В рекламной практике утвердились качественные оценки типа «износостойкий материал», «хороший материал» и т. п., которые, несмотря на абсолютное отсутствие полезной информации, весьма привлекательны для потребителей. Альтернативная, подлинно научная позиция также не была заявлена публично.

Однако с точки зрения практического использования результаты многочисленных исследований износостойкости материалов не увенчались видимым успехом [1-2]. Общепризнанный критерий износостойкости не назван, не определены его численные значения и не предложена процедура его расчета, пригодная для инженерной практики.

Многие исследователи и специалисты, изучавшие процессы изнашивания в лабораторных и натурных условиях и анализировавшие полученные данные, имеют все основания утверждать следующее. Абсолютные значения износов подшипников и контртел крайне чувствительны как к свойствам деталей, так и к условиям эксплуатации, а также к наличию/ отсутствию и свойствам смазки.

Детали из одних и тех же материалов в зависимости от условий эксплуатации могут характеризоваться как минимальными, так и катастрофическими из-носами. Более того, абсолютные значения износов, зафиксированные для одинаковых пар трения и в одинаковых условиях эксплуатации, могут отличаться весьма существенно. Поэтому неформально принято считать, что износы идентичных пар трения, полученные в идентичных условиях и отличающиеся на проценты или в несколько раз, принадлежат к одной статистической совокупности данных, которая подлежит корректной математической обработке для определения закономерностей изнашивания. То же самое, отличающееся на порядок или на несколько порядков, относится к различным совокупностям данных и должно быть исследовано с точки зрения выявления тех или иных феноменов, приводящих к подобным существенным различиям.

Подобный опыт исследования позволяет утверждать, что процесс изнашивания может быть удовлетворительно описан уравнениями типа

^1,2 ^ ^ q, ^.Х (3)

где и - интенсивность изнашивания подшипника и контртела; Еь Е2, Е3 - совокупность свойств подшипника, контртела, смазочной среды; q - контактное давление; V - скорость скольжения.

Свойства материалов подшипника, контртела, смазки могут быть использованы либо непосредственно, либо методом индексирования.

Подобный подход заменяет понятие «износостойкость материала» на «износостойкость трибосопря-жения», учитывает известные условия эксплуатации и случайные факторы, допускает общепринятую статистическую обработку экспериментальных данных и позволяет выявить области и условия качественных изменений. Он также препятствует распространению ложных качественных оценок, основанных на тенденциозно выбранных результатах единичных, а не систематизированных экспериментов, предотвратить недобросовестную рекламу.

Проблема повышения эффективности и надежности становится особенно актуальной в связи с созданием новейших высокопроизводительных машин, работающих при высоких скоростях и нагрузках.

Возможность оценки работоспособности механизмов связана с необходимостью достаточно точной идентификации ведущих разновидностей изнашивания и повреждений технических средств с последующим моделированием процессов изнашивания и расчетным прогнозированием ресурса ведущих деталей, основанными на учете условий нагружения (в первую очередь - разномасштабности), кинематики контакта, теплового режима работы и закономерностей изменения трибологических характеристик [3].

Более 80 % машин и механизмов, в том числе и ДВС, выходит из строя в результате износа деталей, работающих на трение: подшипников, цапф, зубчатых колес, деталей уплотнений, муфт, шлицевых соединений, скользящих направляющих и др. Сложность оценки износостойкости различных трибосопряжений связана с тем, что износ находится в прямой зависимости от скоростей, нагрузок, мощностей и режимов эксплуатации машин, помимо свойств самих материалов.

Выводы:

1. Детали из одних и тех же материалов в зависимости от условий эксплуатации могут характеризоваться как минимальными, так и катастрофическими износами. Более того, абсолютные значения износов, зафиксированные для одинаковых пар трения и в одинаковых условиях эксплуатации, могут отличаться весьма существенно.

2. Принято считать, что износы идентичных пар трения, полученные в идентичных условиях и отличающиеся на проценты или в несколько раз, принадлежат к одной статистической совокупности данных, которая подлежит корректной математической обработке для определения закономерностей изнашивания.

3. Проведенные автором исследования позволяют утверждать, что процесс изнашивания может быть удовлетворительно описан уравнениями, связываю-

щими интенсивность изнашивания подшипника и контртела с совокупностью свойств подшипника, контртела, смазочной среды, контактным давлением и скоростью скольжения.

Библиографические ссылки

1. Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на водном транспорте // Транс-трибо-2013 : тр. V Междунар. симпозиума по транспортной триботехнике (10-11 октября 2013 г.) / под общ. ред. С. Г. Чулкина и В. М. Петрова. СПб. : ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2013. 335 с.

2. Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте // Транстрибо-2010 : тр. IV Междунар. симпозиума по транспортной триботехнике / под общ. ред. С. Г. Чулкина и П. М. Лысенкова. СПб. : ЛОМО-Инфраспек, 2010. 348 с.

3. Чулкин С. Г., Качиньски Р., Лысенков М. П. Эффективность техногенных пар трения : монография. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2007. 194 с.

References

1. Increase of wear resistance and durability of machines and mechanisms for water transport : Proceedings of the V International Symposium on Transport tribotechnology "Transtribo 2013" (10-11 October 2013) / Under obsch. red. S. G. Chulkin and V. M. Petrov (book) St.-Petersburg : GUMRF named after Admiral Makarov, 2013. 335 p.

2. Increased wear resistance and durability of machines and mechanisms for transport: Proceedings of the Fourth International Symposium on Transport tribotechnology "Transtribo-2010" / Under obsch. red. S. G. Chulkin and P. M. Lysenkov. St.-Petersburg : LOMO-Infraspek, 2010. 348 p.

3. Chulkin S. G, Kaczynski R., Lysenkov M. P. The effectiveness of man-made friction units. Monograph. Petersburg : Publ Polytechnic. University Press, 2007. 194 p.

© Чулкин С. Г., 2014

УДК 336

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНВЕСТИЦИЙ В ИННОВАЦИИ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

С. Г. Чулкин

Государственная полярная академия Российская Федерация, 192007, г. Санкт-Петербург, ул. Воронежская, 79, а/я 533 E-mail: sergej.chulkin@yandex.ru

Проведен анализ зависимости затрат на производство от инвестиций. Установлено, что для уменьшения затрат эффективнее создавать новое техническое решение и инвестировать средства в новый продукт.

Ключевые слова: эффективность, инвестиция, инновация, производство.