Новый взгляд на процессы износа и разрушения деталей трибосистем Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Секция механики

УДК 621.3.019.3+621.891:541.138

В.И. Бутенко, Д.С. Дуров Т.А. Рыбинская, АЛ. Максимов

НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА ПРОЦЕССЫ ИЗНОСА И РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

ТРИБОСИСТЕМ

“Жизненный путь” любой трибосистемы условно можно разделить на следующие взаимосвязанные периоды: приработка поверхностей трибосопряжений, предбифуркационный период, бифуркационная точка, самоорганизация, послеби-, , -ционная точка, самоорганизация и т.д. Установлено [1-4], что переход трибосистемы в предбифуркационный период или ее самоорганизация возможны лишь после достижения поверхностями сопряженных деталей равновесной шероховато.

параметров р и Уск и в значительной степени от наличия в зоне контакта смазки и .

Достижение равновесной шероховатости поверхности сопровождается снижением колебаний силы трения по амплитуде и ее выравниванием по величине в зависимости от р и Уск. В общем случае момент достижения постоянной силы тре,

,

поверхности Яа, А, 8т как тела, так и контртела. Длительность этого периода зависит от условий функционирования трибосистемы, причем на амплитуду колебаний силы трения оказывает влияние давление сопряженных поверхностей р, их шероховатость и физико-механическое состояние материалов трибосистемы (в том числе и используемой смазочной композиции).

Предбифуркационный период характеризуется постоянством силы трения и величины интенсивности изнашивания при постоянных значениях давления р и скорости скольжения Уск, определяемых условиями функционирования трибосистемы и состоянием дислокационной структуры материалов сопряженных поверх.

продолжительность определяет износостойкость детали. В течение этого периода в материалах трибосистемы протекают сложные структурные изменения, приводящие к появлению бифуркационной точки, характеризуемой резким возрастанием силы трения и коэффициента трения. В результате наблюдается резкое увеличение интенсивности изнашивания поверхностей. Обычно считают, что наступает период критического износа поверхностей деталей узла трения и прекращают их дальней.

После бифуркационной точки наступает период самоорганизации трибоси-, , и величины износа поверхностей деталей. Проведенные теоретикоэкспериментальные исследования дают основание полагать, что в процессе самоорганизации структур материалов трибосистемы, находящейся в послебифуркаци-

, . -

бодных электронов в материалах трибосопряжений существенно препятствуют

,

потенциала (трибофоны). Возникающие на поверхности детали трибофоны неустойчивы и имеют отрицательный потенциал. Их плотность распределения по объему материала и(е) вероятностно зависит от плотности дислокаций р согласно зависимости

и(е) = Р ^(р) (1 - (1)

где W(p) - вероятность торможения электрона у дислокации или скопления дислокаций; W(a) - вероятность преодоления электроном зоны действия дислокации.

Так как плотность дислокаций материала трибосистем зависит от многих факторов [5, 6], то с учетом выполненных теоретико-экспериментальных исследований поведения системы в предбифуркационный период, бифуркационной точке и в послебифуркационный период характер функции и(е) = Др) представляется разрывной функцией 1-го рода с повышающими скачками (рис.1).

Рис.1. Функцш U(e) = f(p), имеющая разрывы 1-го рода с повышающими скачками

Если плотность дислокаций в материалах деталей трибосистемы достигает значений, соответствующих точкам 1, 2 и т.д., то плотность распределения трибо-фонов U(e) должна вероятностно стремиться к бесконечности, что соответствует бифуркационной точке. Однако в действительности, по-видимому, существует некоторая критическая плотность распределения трибофонов на поверхностях трибо, . плотности дислокаций в материале поверхностного слоя детали трибосопряжения отрицательно заряженные трибофоны структурируют кристаллическое строение , . этом резко снижается плотность дислокаций материала поверхностного слоя. В связи с этим выдвинута гипотеза о том, что параметры функционирования трибосистемы в окрестности бифуркационного всплеска определяются величиной и плотностью распределения трибофонов, формирующихся нелинейно изменяющимися и взаимосвязанными электронной и дислокационной структурами материала поверхностного слоя деталей трибосопряжения. Чем выше поверхностная плотность распределения трибофонов, тем выше коэффициент трения в трибосоп-

, , -ческими зонами, препятствуют взаимному перемещению поверхностей. По-видимому, при бифуркационном всплеске имеет место такая критическая плотность распределения трибофонов и(е)тах, при которой на поверхности детали

трибосистемы достигается максимальная величина термоЭДС етах .

Повышение температуры в зоне трибоконтакта повышает подвижность трибофонов, выравнивая их плотность распределения и(е) и снижая термоЭДС е.

, -босистемы термоЭДС е незначительно уменьшается до определенной температуры, при увеличении которой происходит ее резкое возрастание (рис. 2), находясь в прямо пропорциональной зависимости от плотности распределения трибофонов и(е). Эта температура называется критической. Ее значение зависит от отношения плотностей распределения трибофонов на сопряженных поверхностях трибосистемы Ще) и и2(е): чем меньше отношение и1(е)/и2(е), тем выше критическая темпе-( . 2, 1).

Одновременно было установлено, что для одной и той же пары трения критическая температура постоянна, а величина возникающей термоЭДС е зависит от параметра р-'Уск, определяющего нагрузочно-скоростной режим функционирования .

Аналогичные результаты наблюдаются при исследовании теплофизических явлений при обработке металлов резанием [5-7]. Однако явления наростообразо-вания вносят определенные изменения в протекание процессов самоорганизации при резании металлов, вызванные устойчивостью нароста или застойной зоны и . , -динамические характеристики процесса резания металлов играют важную роль в формировании поверхностного слоя обрабатываемой детали.

, -ных значениях параметра р-Уск в условиях нагревания соответствует температура,

выше которой имеет место резкое увеличение термоЭДС е. В результате сокращается предбифуркационный период, а бифуркационный всплеск происходит при более низких значениях параметра функционирования трибосистемы р-Уск. По, ,

, -фуркационного периода функционирования трибосистемы в условиях высоких температур. Выполненные теоретико-экспериментальные исследования нелинейности процессов формирования и изнашивания поверхностного слоя детали с точки зрения его структурной самоорганизации [5-7] открывают принципиально но- -ния работоспособности трибосистем, эксплуатируемых в условиях высоких значений температур и параметра р-Уск.

мВ 500

400 2

300 1 3 / /

200

НЮ

50 100 150 200 250 300 Т, °С

Рис.2. Характер изменения термоЭДС е различных трибосистем (р-¥ск=3,0 МПам/с): 1 - “сталь 45 - сталь Р6М5”;

2 - “сталь 45 - сталь 20ХН”; 3 - “сталь 45 - медь М1”

мВ

500

400

300

200

100

2

3 / \ V

\ 1

50 100 150 200 250 300 Т,°С

Рис.3. Характер изменения термоЭДС e от температуры нагрева трибосопряжения “сталь 45 - сталь 45” при различных значениях параметра р-Уск: 1 - 2,5 МПам/с; 2 - 3,0 МПам/с; 3 - 3,5 МПам/с

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Проникав А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. 592с.

2. Качество машин: Справочник: В 2-х т. / АТ. Суслов, Ю.В. Гуляев, A.M. Дольский и др. М.: Машиностроение. Т.2. 1996. 430с.

3. Комбалов B.C. Оценка триботехнических свойств контактирующих поверхностей. М.: Наука, 1983. 275с.

4. . ., . ., B.C. .

М.: Машиностроение, 1977. 526с.

5. . . -

. : - , 2000. 168 .

6. Бутенко В.И. Формирование и изнашивание поверхностного слоя детали. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. 192с.

7. Бутенко В.И. Нелинейность процессов при обработке металлов резанием. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 224с.

УДК 621.01

АД. Захарченко

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ

КОНСТРУКЦИЙ

Большинство деталей машин в эксплуатации подвергаются нагрузкам, переменным во времени, и основным критерием их работоспособности является уста. -ментов конструкций и построения кривой усталости проводят прямые усталостные испытания натурных деталей с последующей статистической обработкой результатов. В последние годы активно развиваются вероятностно-статистические методы обоснования расчётных характеристик выносливости натурных деталей, целью которых является построение кривых усталости по основе некоторых критериев подобия усталостного разрушения.

Теория подобия усталостного разрушения Серенсена-Когаева развивает статистические теории прочности В. Вейбулла и Н. Афанасьева и позволяет описать влияние конструктивных факторов (концентрации напряжений, масштабного фактора, формы поперечного сечения, вида нагружения) на средние значения и коэффициенты вариации пределов выносливости детали.

В качестве основного критерия подобия рассматривается отношение Ь/ G периметра Ь опасного сечения или его наиболее напряжённой части к относительному градиенту G первого главного напряжения в этом сечении.

В работе рассматривается роль градиента напряжения для гибкого колеса волновой зубчатой передачи, как наиболее напряжённого и ответственного звена. Приводятся расчётные и графические зависимости, позволяющие анализировать влияние параметров зубчатого колеса на величину градиента напряжений.

Значительным усталостным нагрузкам подвергаются элементы заклёпочных и болтовых соединений самолётных конструкций. В работе рассматривается задача о распределении напряжений в пластине с отверстием, которое в данном случае является сильнейшим концентратором напряжений. Исследуется влияние параметров соединения, в частности величины натяга, на компоненты напряжений (радиаль-, ). зависимостям анализируется характер распределения напряжений по периметру отверстия при различных параметрах и условиях нагружения соединения.