CC BY
42
ОЦЕНКА РОЛИ АДСОРБЦИОННОЙ ПЛЕНКИ «ПАВ» ПРИ УПРУГОМ КОНТАКТЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ГИДРОПРИВОДА МОБИЛЬНЫХ МАШИН
В.Б. Косолапов, доцент, к.т.н., С.В. Литовка, аспирант,
М.А. Юрченко, студент, ХНАДУ
Аннотация. Приведена модель взаимодействия микронеровностей поверхностей в присутствии адсорбционного слоя поверхностно-активных веществ (ПАВ) при условии упругого металлического контакта сопряженных пар гидропривода. Определено, что адсорбционная пленка ПАВ не играет существенной роли при непосредственном контакте микронеровностей.
Ключевые слова: граничное трение, адсорбционная пленка, воспринимаемая нагрузка, площадь контакта.
Введение
Эксплуатация строительных и дорожных машин значительное время работы осуществляется в неустановившихся режимах нагружения. Это приводит к повышению интенсивности износа трибосопряжений, следствием чего является снижение показателей надежности машины, а точнее, снижение срока службы механизмов, в которых наблюдаются процессы трения.
Анализ публикаций
Наиболее интенсивно процесс износа трибо-сопряжений развивается в граничном режиме смазки [1].
В соответствии с международным стандартом 180 4378-3-1999 под граничной смазкой понимается такой вид смазки, которому не могут быть приписаны объемные вязкостные свойства и который определяется свойствами граничных слоев, возникающих при взаимодействии смазочного материала и поверхности трения в результате физической или химической адсорбции. [2]
При контактировании граничные слои частично выдавливаются из зоны контакта и утончаются, при этом происходит сближение между поверхностями твердых тел [3].
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 и постановка задачи
Целью данной работы является оценка роли адсорбционной пленки ПАВ при упругом контакте поверхностей трения.
Задачами исследования являлось определение площадей контакта и нагрузок, приходящихся на адсорбционный слой и микронеровности при условии упругого контакта поверхностей трения в присутствии смазки в зависимости от сближения поверхностей и радиуса кривизны микронеровностей на единичном микровыступе.
Модель взаимодействия микронеровностей
Согласно цели работы рассматриваем взаимодействие микронеровностей во второй зоне контактирования (рис. 1), когда в контакт вступают как адсорбционная пленка ПАВ, так и упругодеформирующаяся микронеровность.
Единичные микронеровности, в присутствии смазочного материала, моделируем сферическими сегментами. Схема их силового взаимодействия представлена на рис. 2.
Рис. 1. Схема представления вершины микронеровности
Рис. 2. Схема взаимодействия микронеровностей (Рк- контактное давление; 5™-фактическая площадь контакта пленок;
- радиус кривизны, соответственно первой и второй микронеровности; 5™, 5™ - толщина адсорбированной плёнки ПАВ на первой и второй микронеровности)
Расчётная модель контакта двух микронеровностей может быть приведена к контакту эквивалентной микронеровности с гладкой плоскостью. [4, 5]. В этом случае применяем приведенные значения параметров шероховатости.
Суммарная контактная нагрузка, приходящаяся на единичный микровыступ, в условиях адсорбционной плёнки во второй зоне контактирования определяется выражением
ЛГП = ЫиШ1+ЫиП0В.
(1)
где Nи1е - нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем во второй зоне контактирования; N113 - нормальная нагрузка при контактировании несмазанных микронеровностей.
Нормальную нагрузку Nll 113 при упругом контактировании несмазанных единичных микронеровностей можно определить на основании решения Герца [6]
4 з/ ДГ пов = _ и /2
”п ^ “II
эф
(2)
где Ии - сближение контактирующих микронеровностей во второй зоне; ^ - приведенный радиус кривизны микронеровностей определяется из соотношения
_ ^2 р 11 +11
(3)
где - радиусы кривизны микронеров-
ностей; £эНфв - эффективный модуль упругости сжимаемых микронеровностей определяется выражением
ут-ПОВ ___
^эф "
1'-2
Е2 1-ц? +Ег 1 -Цз
(4)
где Ех, Е2 и ^,^2 - соответственно модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов контактирующих выступов обоих тел.
Для определения нагрузки, воспринимаемой адсорбционным слоем Nll 1е, в первом приближении, воспользуемся представлением об однородности полимолекулярного адсорбированного слоя, имеющего постоянные прочностные характеристики.
При этом для облегчения расчетов принимаем, что толщины адсорбированных слоёв
ПАВ и радиусы кривизны на обеих микронеровностях имеют одинаковую величину 8™ = 8™ = 5ПЛ и = Я2 = . Величина
сближения /?и изменяется в пределах Ии < 5™ .
По данным работ [7, 8], упругая деформация смазочных слоев происходит при давлении р<5-61 I а. При давлении /? > 5 - 61 1а происходит потеря полимолекулярным слоем упругости, что приводит к выдавливанию молекул из зоны контакта.
Эксперименты, проведенные А.С. Ахматовым [7], 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 квазикристаллических образований и обладают определенной несущей способностью, увеличивающейся по мере уплотнения слоя.
Исследования Л.В. Пановой механических свойств смазочных слоёв на поверхности металлов, проведенные методом «стопы», дали значения модуля сжатия =6-101 1а;
модуля сдвига С = 15-1СГ5 I 1а [8].
Используя приведенные значения, определим нагрузку, воспринимаемую адсорбционным слоем, расположенным в зоне единичного контакта микронеровностей, при условии, когда прочностные свойства по глубине адсорбционного слоя одинаковы [9]
Луе=£!е/2„.уе, (5)
где Е™ - модуль упругости адсорбированного слоя ПАВ; 5™ - площадь контакта пленок во второй зоне контактирования, определяется выражением:
Vе =71 2^р81е+ 81е 2 (6)
где б™ - толщина адсорбированной плёнки ПАВ.
Подставляя выражение (6) в (5), получим:
А',,“ л/-.“ 6“ Лм 2^р+51е . (7)
Таким образом, суммарная нагрузка, приходящаяся на единичный упругий контакт микронеровностей в зоне взаимодействия выступов, определяется выражением
4 з/ 1/
=т ь/2 Щь 4ба +
3 (8)
+жЕ^ 6 ‘ И- 111, ■ 6 ‘ .
Для расчетов принимаем толщину адсорбционной пленки 8™ = 0,1 мкм, приведенный радиус кривизны микронеровности Лпр рассчитываем по схеме, представленной на рисунке 1, согласно которой:
^р=у, (9)
где - средний шаг неровностей [10], мкм.
По характерным классам чистоты поверхности гидропривода выбираем средний шаг неровностей , 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 представлены на рисунках 3, 4.
Оценку роли адсорбционной пленки проведем с помощью процентного сравнения между суммарной нагрузкой, приходящейся на единичный упругий контакт микронеровности и нагрузкой, воспринимаемой адсорбционным слоем ПАВ,
N пл
^ = ^— 100%. (10)
Для расчетов принимаем следующие данные:
- толщина адсорбционной пленки,
8™ = 0,1 мкм;
- приведенный радиус кривизны микронеровности, /¿||р =10 мкм;
- сближение поверхностей, /?п =0,1 мкм;
- модуль упругости, Е = 2,15 • 1011 Па;
- коэффициент Пуассона, ц = 0,275 .
Рис. 3. График зависимости нагрузки при металлическом контакте от сближения для различных радиусов кривизны микронеровностей
— R=16*10"6 R=10*10"6 R=7*10"6 '
Y*
Approach, m х 1Q-J
Рис. 4. График зависимости нагрузки, воспринимаемой адсорбционным слоем ПАВ, от сближения для различных радиусов кривизны микронеровностей
Таким образом
= 3’7888 10 юо % = 2.4434 10'7 %. 1.5506 10'2
Из чего следует, что нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем ПАВ при условии упругого металлического контакта, не играет ведущей роли в процессе перераспределения контактного давления.
Выводы
сопряженных пар гидропривода, но не играет существенной роли в процессе перераспределения контактного давления по микронеровности.
Литература
1. Войтов В. А. Конструктивная износостой-
кость узлов трения гидромашин. Часть II. Методология моделирования граничной смазки в гидромашинах. - Харьков: Центр Леся Курбаса, 1997. - 152 с.
2. Чичинадзе А.В., Хебда М. Справочник по
смазочным материалам. Т.1. - М.: Машиностроение, 1989. - 400 с.
3. Литвинов В. Н., Михин Н. М., Мышкин Н. К. Физико-химическая механика избирательного переноса при трении. -М.: Наука, 1979. - 187 с.
4. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Ком-
балов В. С. Основы расчета на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. -525 с.
5. Дёмкин Н. Б. Контактирование шерохова-
тых поверхностей. - М.: Наука,1970. -266 с.
6. Крагельский И. В. Трение и износ. - М.:
Машиностроение, 1968. - 480 с.
7. Ахматов А. С. Молекулярная физика гра-
ничного трения. - М.: Физматгиз, 1963.
- 472 с.
8. 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. 985991.
9. Сопротивление материалов / Писарен-
ко Г. С., Агарев В. А., Квитка А. Л., Попков В. Г., Уманский Э. С. - К.: Вища школа, 1986. - 775 с.
10. Хусу А. П., Витенберг Ю. Р., Пальмов В. А.
Шероховатость поверхностей (теоретико-вероятностный поход). - М.: Наука, 1975. - 344 с.
Характер взаимодействия поверхности со- Рецензент: В.В Ничке, профессор, д.т.н.,
пряженных пар гидропривода определяется ХНАДУ
радиусом кривизны микронеровностей в
контакте. Статья поступила в редакцию 6 мая 2007г.
Нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем ПАВ при условии упругого металлического контакта, значительно различается в зависимости от класса чистоты поверхности
