CC BY
48
УДК 621. 891
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ В ЕДИНИЧНОМ КОНТАКТЕ МИКРОНЕРОВНОСТЕЙ С УЧЁТОМ АДСОРБЦИОННОГО
СЛОЯ ПАВ
В.Б. Косолапов, доцент, к.т.н., С.В. Литовка, аспирант,
Ю.Б. Яницкий, студент, ХНАДУ
Аннотация. Приведена модель взаимодействия микронеровностей сопряженных пар с учетом адсорбированного слоя ПАВ при условии отсутствия между ними металлического контакта. Определена площадь контакта адсорбированного слоя ПАВ по микронеровностям и нагрузка, воспринимаемая адсорбированным слоем, на единичном микровыступе.
Ключевые слова: микронеровность, адсорбированный слой, площадь контакта, воспринимаемая нагрузка.
Введение
Гидроагрегаты строительных и дорожных машин (СДМ) периодически работают в условиях неус-тановившихся режимов нагружения, что приводит к повышенному износу сопряженных поверхностей, поэтому применяемая рабочая жидкость (РЖ) должна быть способна образовывать на поверхностях трения прочный смазочный слой, который способен выдерживать контактную нагрузку, возникающую в паре трения.
Анализ публикаций
Трение в условиях граничной смазки является наиболее часто встречаемым для работы элементов гидропривода [1]. Этот режим смазки возникает в условиях высоких контактных нагрузок, температур, а также при низких скоростях перемещения поверхностей друг относительно друга.
При граничной смазке происходит частичное разрушение граничного слоя, приводящее к появлению непосредственного контакта отдельных микронеровностей поверхностей трения и сопровождающегося процессом их изнашивания. Отсюда вытекает значение качества поверхностного слоя и применяемой РЖ, влияющих как на прочность, так и износостойкость элементов гидропривода СДМ.
РЖ, применяемые в гидроприводах СДМ, представляют собой многокомпонентные углеводородные жидкости на нефтяной основе. Одним из основных компонентов являются поверхностноактивные вещества (ПАВ). Адсорбируясь на поверхностях трения ПАВ образуют защитные сма-
зочные слои, препятствующие непосредственному контакту поверхностей в условиях граничного трения.
В свою очередь качество поверхностей трения определяется совокупностью физических свойств
- микрогеометрией, микроструктурой, степенью деформации поверхностного слоя и его напряженностью. Выбор необходимого качества поверхности элемента трибосопряжения определяется условиями ее работы и зависит от нагрузки, скорости, температуры, характера трения и применяемой РЖ [2].
Возможность прогнозирования на этапе проектирования узла трения величины рациональной микрогеометрии поверхности позволяет задавать такие виды технологической обработки поверхностей и классы шероховатости поверхности, которые обеспечивают минимальный износ сопряжений. Основной период времени работы СДМ занимает режим установившейся работы. В таком режиме устанавливается вполне определённая шероховатость трущихся поверхностей, которая автоматически поддерживается постоянной при неизменных начальных условиях [3].
Свойства поверхностных слоёв твёрдых тел отличаются от свойств нижележащих слоёв в силу особенностей их образования. Поверхность пары трения создается путем какой-либо механической обработки ее поверхностей. При механической обработке поверхности металлов всегда происходит пластическая деформация поверхности на ту или иную глубину в зависимости от способа обработки. Это сопровождается повышением твёрдости, предела текучести поверхностного слоя,
появлением остаточных внутренних напряжений значительной величины и различного знака [4]. Кроме того, поверхности металла присуще наличие значительной свободной поверхностной энергии. Объясняется это тем, что расположенные на поверхности атомы, в отличие от атомов в объеме, имеют свободные незамещенные связи, создающие силовое поле - поле атомного (молекулярного) притяжения [5].
При контактировании граничные слои частично выдавливаются из зоны контакта и утончаются, при этом происходит сближение между поверхностями твердых тел [6]. Увеличение сближения вызывает возрастание площади фактического касания по адсорбционной пленке до тех пор, пока суммарная реакция по пленке не станет равной по величине и противоположной по направлению нормальной нагрузке. Если нагрузка превысит своё предельное значение, то происходит выдавливание адсорбционной пленки из зоны контактирования, что приводит к взаимодействию металлических поверхностей микронеровностей. При этом площадь фактического контакта, включающая площадь по адсорбционной пленке и площадь металлического контакта, будет увеличиваться до тех пор, пока возникающие в зонах фактического контакта силы отталкивания не уравновесят внешние сжимающие силы.
Цель работы и постановка задачи
Целью настоящей работы является определение нагрузки в единичном контакте микронеровностей с учетом адсорбционного слоя ПАВ в зависимости от класса чистоты поверхности сопряженных пар при условии отсутствия металлического контакта.
Задача - Определение фактической площади контакта адсорбционного слоя ПАВ и нагрузки, воспринимаемой адсорбционным слоем микронеровности, в зависимости от сближения поверхностей и радиуса кривизны микронеровностей на единичном микровыступе.
Модель взаимодействия микронеровностей
Трибосопряжение состоит из двух микронеровностей и смазочной среды. Взаимодействие элементов контактирования условно можно разделить на две зоны. К первой зоне отнесём случай контактирования поверхностей через адсорбированные плёнки ПАВ, т.е. когда отсутствует непосредственный металлический контакт микронеровностей. Вторая зона характеризуется взаимодействием микровыступов, в этом случае нагрузка воспринимаемая микронеровностями передаётся как на материал твёрдого тела, так и на адсорбированный слой (рис. 1). Нагрузка прикладывается нормально относительно основания микронеровности.
Рис. 1. Схема представления вершины микронеровности
Согласно цели работы, по условию отсутствия металлического контакта, рассматриваем только контактирование в первой зоне.
Расчётная модель контакта двух микронеровностей может быть приведена к контакту эквивалентной микронеровности с гладкой плоскостью. [7, 8]. В этом случае применяем приведенные значения параметров шероховатости.
Рассмотрим контактирование единичных микронеровностей в присутствии смазочного материала, моделируемых сферическими сегментами.
При условии, когда прочностные свойства адсорбционного слоя по глубине одинаковы, мгновенное значение фактической площади единичного контакта микронеровности по плёнке определяется выражением:
5пл = п(2А(^пр +5™) - &),
(1)
где h - сближение, м; 5пл - толщина адсорбционной пленки ПАВ, м; RTIp - приведенный радиус
кривизны микронеровностей, определяется из соотношения:
Япр =
^ ‘
R + Я2
(2)
где R1, Я2 - радиусы кривизны, соответственно, первой и второй микронеровностей, м.
При этом для облегчения расчетов принимаем, что толщины адсорбированных слоёв ПАВ и радиусы кривизны на обеих микронеровностях
имеют одинаковую величину 5™ = 5™ = 5™ и R1 = Я2 = Япр. Величина сближения h определяется из условия упругости смазочных слоёв и изменяется в пределах h < 5пл.
По данным работ [5, 9] упругая деформация смазочных слоёв происходит при давлении р < 5 - 6 МПа . При давлении р > 5 - 6 МПа происходит потеря полимолекулярным слоем упру-
гости, что приводит к выдавливанию молекул из зоны контакта.
Эксперименты, проведенные А.С. Ахматовым [5] по изучению затухающих колебаний наклонного маятника, позволили установить, что толщина адсорбированных слоёв, в зависимости от вещества, из которого образуются эти слои, изменяется в пределах 0,05 - 0,1 мкм, а в некоторых случаях может достигать 1 мкм. Эти слои имеют вид достаточно правильных кристаллических образований и обладают определенной несущей способностью, увеличивающейся по мере утончения слоя.
В первом приближении, воспользуемся представлением об однородности полимолекулярного адсорбированного слоя, имеющего постоянные прочностные характеристики.
Нагрузка, воспринимаемая адсорбированным слоем ПАВ и действующая в зоне единичного контактирования, при условии, когда прочностные свойства адсорбционного слоя по глубине одинаковы, определяется из выражения [10]:
жпл = Е™-е • 5”
(3)
где Е™ - модуль сжатия адсорбционной пленки ПАВ, Е™ = 60 МПа [9]; е - относительное сжатие, определяем из граничных условий разрушения абсорбционной пленки:
Е=
(4)
где стпр - предельное давление разрушения адсорбционной пленки, ст™ = 5 МПа [7, 9].
Подставляя в выражение (3) значение (1) и (4) получим:
Nпл = п-ст™ • И2(2^ +8™) - И).
(5)
Для расчетов принимаем толщину адсорбционной пленки 5пл = 0,1 мкм, приведенный радиус кривизны микронеровностей Rпр рассчитываем по схеме, представленной на рис. 1, согласно кото-
рои
Т
Т> — т
(6)
где Тт - средниИ шаг неровностей [11], мкм.
По характерным классам чистоты поверхности гидропривода выбираем средний шаг неровно-
стей Тт, так для аксиально-поршневого насоса 210.225 гильзы блока цилиндров обработана по 8 классу чистоты, сфера сопряжения с распределителем по 10 классу чистоты, сфера сопряжения с блоком цилиндров распределителя обработана по 12 классу чистоты
Результаты расчетов приведены на рис. 2.
Рис. 2. График изменения нагрузки, воспринимаемой адсорбированным слоем ПАВ, при единичном контактировании, в зависимости от сближения, при различных классах чистоты поверхностей (Я = 16 мкм - У8, Я = 10 мкм - У10, Я = 7 мкм - У12)
Из графика, представленного на рис. 2 видно, что нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем ПАВ при единичном контактировании, существенно зависит от радиуса кривизны микронеровности, и при 8 классе чистоты поверхности в 2 раза больше получаемой при 12 классе чистоты и в 1,5 раза при 10 классе чистоты поверхности.
Рис. 3. График изменения нагрузки в зависимости от сближения и толщины адсорбированной пленки
На рис. 3 представлен график, на котором по оси х отложена толщина пленки, изменяющаяся от 0 до 1 мкм, по оси у отложена величина сближения
- от 0 до 1 мкм, а по оси z - величина нагрузки, воспринимаемой адсорбционным слоем, для микронеровности с радиусом кривизны Я = 10 мкм -У10. При анализе графика видно, что с увеличением толщины адсорбированной пленки от 0,1 до
ст
1 мкм величина воспринимаемой нагрузки увеличивается более чем на 2 порядка.
Выводы
Характер взаимодействия микронеровностей сопряженных пар гидропривода СДМ определяется их радиусом кривизны микронеровностей, а также толщиной адсорбционной пленки ПАВ.
Нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем ПАВ при условии отсутствия металлического контакта, существенно различается в зависимости от класса чистоты поверхности сопряженных пар гидропривода.
Литература
1. Войтов В. А. Конструктивная износостойкость
узлов трения гидромашин. Часть II. Методология моделирования граничной смазки в гидромашинах. - Харьков: Центр Леся Кур-баса, 1997. - 152 с.
2. Грозин Б. Д. и др. Повышение эксплуатацион-
ной надёжности деталей машин. - М: Маш-гиз, 1960. - 296 с.
3. Литвинов А. А., Некипелов Ю. Г. Механизмы
саморегулирования в смазанных трибоси-стемах // Вопросы авиационной химмотологии: Сб. науч. тр. - К.: КИИГА. - 1983. -С. 23-28.
4. Айнбиндер С. Б., Тюнина Э. Л. Введение в тео-
рию трения полимеров. - Рига: Зинатне, 1978. - 224 с.
5. Ахматов А. С. Молекулярная физика гранично-
го трения. - М: Физматгиз, 1963. - 472 с.
6. Литвинов В. Н., Михин Н. М., Мышкин Н. К.
Физико-химическая механика избирательного переноса при трении. - М: Наука, 1979.
- 187 с.
7. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комба-
лов В. С. Основы расчета на трение и износ.
- М: Машиностроение, 1977. - 525 с.
8. Дёмкин Н. Б. Контактирование шероховатых
поверхностей. - М: Наука,1970. - 266 с.
9. Сердобинцев Ю. П., Шаравин С. И. Трение и
износ гетерогенных покрытий в условиях граничной смазки. Часть 2. Граничное трение при скольжении деталей с упрочняющими покрытиями // Трение и износ. - 1992.
- Т. 13. - № 6. - С. 985-991.
10. Сопротивление материалов / Писаренко Г. С.,
Агарев В. А., Квитка А. Л., Попков В. Г., Уманский Э. С. - К.: Вища школа, 1986. -775 с.
11. Хусу А. П., Витенберг Ю. Р., Пальмов В. А.
Шероховатость поверхностей (теоретиковероятностный поход). - М: Наука, 1975. -344 с.
Рецензент:
Статья поступила в редакцию
г.
