Оцінка зближення і фактичної площі контакту фрикційних гетерогенних поверхонь Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.793.8: 669.268

В. В. Широков, Х. Б. Васил1в, Л. А. Арендар

ОЦ1НКА ЗБЛИЖЕННЯ I ФАКТИЧНО1 ПЛОЩ1 КОНТАКТУ ФРИКЦ1ЙНИХ ГЕТЕРОГЕННИХ ПОВЕРХОНЬ

Розраховано в1дносне зближення, фактичн1 площу контакту та контактний тиск для пари тертя "фосфористий чавун-сталь 45" на р1зних етапах фрикцйноТвзаемодТ. Вста-новлено, що при усталеному терт1 досягаеться максимально можливе в умовах плас-тичноТдеформацТзближення контактуючих поверхонь. При цьому на 30 % зменшуеться контактний тиск \ м1н1м1зуеться ¡нтенсивн1сть зношування.

Внаслщок шорсткост i хвилястост фрик-цйних поверхонь |'х контакт дискретний i здмснюеться на окремих малих дтянках, сума яких становить фак-тичну площу контакту. Вщ не' залежить реальний розподiл контактних тискiв у шорсткому шарi та зносотривкють матерiалiв [1-5]. На початковому етап фрикцйно''' взаемодп у контакт вступають най-вищi мiкровиступи поверхонь, а в мiру 'х дефор-маци та руйнування - нижн виступи. lмовiрнiсть контактування виступiв залежить вщ 'х висоти, кiлькостi та зближення мiж поверхнями. IV можна оцнити за допомогою опорно''' криво', яка характе-ризуе розподiл матерiалу в шорсткому шарi i опи-суеться степеневою функцieю:

П, = \ / Ас = Ьет

(1)

де п, = Ак / Ас - вщношення площi перерiзу мiкро-виступiв на даному рiвнi р до контурно'' площi контакту, ешах = Р /Кшах , 8 = Р /КР - зближення, Rmax,

Кр i tm- параметри рельефу, Ь, V - константи. [2].

Знаючи вiдносну площу перерiзу мiкровиступiв для даного рiвня р, який вщповщае певному зближен-ню поверхонь, можна оцнити змiну фактичноТ' площi Т'х контакту на рiзних етапах тертя та динамку змЫи контактного тиску, що, в свою чергу, дозволить встановити взаемозв'язок мiж параметрами шор-сткостi поверхонь тертя та 'х експлуатацiйними вла-стивостями [1-4].

У роботах [5, 6] проаналiзовано особливост зношування та кiнетику змЫи рельефу поверхонь тертя фосфористих чавунв. Експериментально показано, що при терт фосфористих чавунв важливу роль вiдiграе гетерогеннiсть, зокрема, в першу чергу вщбуваеться пластична деформаця включень фосфiдноí евтектики, зумовлена температурними спалахами на цих включеннях.

Мета дано!' роботи - оцнити вiдносне зближення i фактичну площу контакту поверхонь пари тертя " фосфористий чавун-сталь 45" на рiзних етапах фрикцйно''' взаемодп та встановити 'х взаемозв'язок iз зношуванням.

© В. В. Широков, Х. Б. Василiв, Л. А. Арендар 2006 г.

Методика експерименту

Зносотривкють високомщних чавунв з перлгг-ною матрицею та концентрацею фосфору 0,55 мас. %, що вщповщае 5-6 об. % фосфщно''' евтектики, дослiджували в умовах граничного тертя на уста-новцi СМЦ-2. Швидкiсть ковзання 0,4 м/с, три-

валiсть дослiду 0,25......100 год; контактний тиск 5

МПа, силова схема "диск-колодка", мастило - И-20. Шорстксть поверхн визначали за допомогою профтографа-профтометра "Калибр С-265". Для побудови опорно''' криво' та розрахунку параметрiв мiкрорельефу застосовували орипнальне програм-не забезпечення [7].

Отриманi результати та 1х обговорення

Експериментально показано, що при тертi фосфористих чавунiв визначальну роль в^дграють включення фосфщно'Г евтектики. За фрикцйно'Г взаемодп на евтектичних включеннях виникають спа-лахи температури, що призводять до 'х пластиф^ каци. Пiд дiею механчних навантажень та розплю-щування площа включень на поверхн збтьшуеть-ся, що пдтверджуеться аналiзом мiкроструктури (рис. 1) та рельефу поверхн, шорстксть якого за час притирання зменшуеться вщ 5 до 8-10 квалгге-ту [5-6]. При цьому радiуси заокруглення мiкрови-ступiв збiльшуються на 1-2 порядки. Це свщчить про перерозподт матерiалу у шорсткому шар^ ха -рактерний для пластично''' деформацп, пiд час якого помто розширюються дiлянки, якi приймають контакты навантаження.

Типовi опорнi крив^ що вiдповiдають про-фiлю поверхнi чавунв у вихiдному станi, на етапах притирання i усталеного тертя, наведено на рис. 2, а параметри степеневих функцй, що вщповщають цим кривим на рiзних етапах - у табл. 1. У вихщно-му стан опорна крива 1 вщповщае нормальному розподту мiкровиступiв у шорсткому шарi. Про це свщчать, зокрема, координати точки перетину се-редньо''' лЫи т1-т1 з кривою 1, близью до 0,5. Пд час притирання i переходу до усталеного тертя абсциса точок перетину кривих 2 i 3 з середнми лУями (параметр tm) зростае, а ордината зменшуеться бтьш, нiж у 2 рази, свщчить про збтьшен-

У = ^ 8

т

ня рад|уса та крокових параметрш м1кровиступт внасл1док IX пластично!' деформаци.

N

\ 1/3

0,4 ЛаИБ

(2)

де N - навантаження, НВ - твердють за Бр1нелем евтектично''' фази, Аа - ном1нальна площа контакту. П1сля постановки в1дпов1дних величин отримано значення е тах = 0,6. Такому зближенню в1дпов1дае

в1дносна площа контакту 0,6 I фактична 0,3......0,6

в1д контурно'''. Осктьки фосф1дна евтектика займае не б1льше 15 % площ1 фрикцмно''' поверхн1, а контакт вщбуваеться переважно на евтектичних вклю-ченнях, максимальна фактична площа контакту не перевищуватиме 0,04-0,09 в1д контурно''' площ1. Отже, за умов усталеного тертя досягаеться максимально можливе за умов пластично!' деформацИ' зближення контактуючих поверхонь.

б

Рис. 1. Розподт включень фосфщно''' евтектики на по-верхн фосфористого чавуну у вих1дному стан (а) I п1д час усталеного тертя (б)

На основ1 профтограм розраховано в1дносне зближення поверхонь е , як в1дношення зм1ни в1дстан1 м1ж середн1ми л1н1ями проф1л1в до суми (Яр1 + Нр2). Пд час притирання воно становить 0,10, а за умов усталеного тертя - 0,13 в1д + Яр2). Цим значенням, зг1дно опорних кривих, вщпо-

в1дае в1дносна площа контакту поверхонь п, яка п1д час притирання близька до 0,05, а за усталеного тертя - 0,07 в1д контурно!' площ1. Фактична площа контакту поверхонь пропорцйна до вщносно!: п = ап^, де а залежить в1д характеру деформацИ' I лежить в межах 0,5^1 [1,4]. З врахуванням коеф-щ1ента а , ця площа становить в1дпов1дно 0,025......0,05 I 0,035......0,07 в1д контурно''.

Максимальне зближення поверхонь залежить в1д характеру деформацИ' матер1ал1в, параметр1в 'х шорсткост1, навантаження. Вважаючи, що фрикц-1йний контакт в1дбуваеться переважно на м1крови-ступах фосфщно''' евтектики, як1 деформуються пластично, граничне зближення поверхонь можна роз-рахувати зпдно залежност1 [4]:

Рис. 2. Типов1 опорн1 крив1 проф1лю фосфористих чавунв у вихщному стан1 (1), пщ час притирання (2) I усталеного тертя (3)

Таблиця 1 - Параметри проф шю I опорних кривих поверхонь тертя ФВЧ I контртта

Етап тертя Ь V ^т К„

КТТ Вих. стан 2,53 1,45 0,51 2,94

Притирання 2,60 1,62 0,57 1,85

Устал.тертя 2,72 1,67 0,54 1,15

ФВЧ Вих. стан 2,67 1,25 0,49 5,3

Притирання 3,12 2,23 0,57 3,7

Устал.тертя 3,5 2,8 0,68 0,68

На основ I параметр I в опорних кривих фрикц й-них поверхонь побудовано узагальнену опорну криву поверхонь тертя у вихщному стан I та п ¡д час усталеного тертя (рис. 3). Ця крива описуе в ¡днос-ну площу контакту поверхонь тертя п , яка залежить в ¡д 1мов I рност зустр I чI пари виступ I в при да-ному зближенн I [3]:

К 2(ш1(ш 2(Кр1 + Кр2) %

К У\К у2

р1 р 2

де К2 = Г(У1 +1)Г(*2 +1 , е Г(У1 + V 2 + 1)

"1,2

У1,2

(3)

1,2

Кр1 + Кр2

е

тах

2

V. +У

2

ISSN1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006 # 89 —

У piBHOCT-ях tmi, tm2, Rpi, Rp2, vi - v2 - пара-метри nрофiлю i вiдповiдних опорних кривих кон-тактуючих поверхонь, y1,2 - 'х абсолютне, е12 -вщносне зближення, К2 - коефiцieнт, який зале-жить вiд показникiв ступеня апроксимацií опорних кривих v1, v2 , Г - гама-функця.

Отриманi результати свiдчать, що площа контакту поверхонь за усталеного тертя суттево збтьшуеться порiвняно з вихiдним станом (рис. 3). Проте, розрахован величини вищi за отриман експериментально, оскiльки у рiвняннi (3) перед-бачаеться нормальний розподт мiкровиступiв за висотою.

Таким чином, внаслщок сукупно' дм температур-них, силових i швидксних чинникв включення фосфщно' евтектики у чавунах поступово пластиф-куються, у них змiнюеться форма i збiльшуеться радiус заокруглення. Вщтак збiльшуеться дiаметр плям контакту та Т'х площа на поверхнi тертя, отже, зменшуеться контактний тиск. Навантаження на мiкровиступах пщ час притирання створюеться тис-ком 1.. .2 ГПа, за усталеного тертя - на 30 % мен-шим. Вгдповгдно зменшуеться зношування матер-iалу, що тюструе рис. 4.

Висновки

Розраховано вщносне зближення, фактичну площу контакту та контактний тиск на р!зних ета-пах фрикц^но' взаемодп пари тертя "фосфористий чавун-сталь 45". Встановлено, що для за умов усталеного тертя досягаеться максимально можливе в умовах пластично'' деформацп зближення контак-туючих поверхонь, за якого фактична площа контакту не перевищуе 0,04-0,09 вщ контурно'' площк Внаслщок цього контактний тиск зменшуеться на 30 % та мiнiмiзуеться Ытенсивнють зношування.

Список лiтератури

1. Справочник по триботехнике: в 3-х т. /Под общей ред. М. Хебды, А.В. Чичинадзе. - М. Машиностроение, 1989. - Т.1. - 400 с.

2. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. - М.: Машино-строение,1981. - 244 с.

3. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. - М.: Наука, 1970. - 228 с.

о 0,01 0,02 0,03 0,04

Рис. 4. Кнетика змлни ¡нтенсивност зношування фосфористого чавуну з 5-6 об. % фосфщноТ евтектики

Рис. 3. Початкова частина узагальненоТ опорнот кривоТ

поверхонь тертя у вихщному стан (1) та пщ час усталеного тертя (2)

4. Комбалов В.С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ. - М.: Наука, 1974. -111 с.

5. Широков В.В., Арендар Л.А, Васил1в Х.Б., Ва-сил1в О.М., Бтюк О.М. Механзм антифрикцй нот дм фосфщно! евтектики у чавунах. - Ф1зи-ко-х1м1чна механ1ка матер1ал1в.- 2005. - №1. -С. 56-62.

6. Арендар Л .А Роль фосфщно! евтектики у фор-муванн структури та деяких ф1зико-механ1чних властивостей поверхневих шар1в перл1тних чавун1в у процес1 тертя. - Автореф. дис. на здо-буття наук. ступ. канд. техн. наук. - Льв1в: ВМС, 2005. - 22 с.

7. Широков В.В., Арендар Л.А., Ковальчик Ю.1., Васил1в Х.Б., Васил1в О.М. Комп'ютерний оброб1ток проф1лограм фрикцшних поверхонь. - Ф1зико-х1м1чна механка матер1ал1в. - 2005. - №1. - С. 93-96.

Поступила в редакцию 23.05.2006 г.

Рассчитаны относительное сближение, фактическая площадь контакта и контактное давление на различных этапах фрикционного взаимодействия пары трения "фосфористый чугун-сталь 45". Установлено, что при установившемся трении достигается максимальное для условий пластической деформации сближение контактирующих поверхностей. При этом на 30 % уменьшается контактное давление и минимизируется интенсивность изнашивания.

The relative rapprochement, real contact square and pressure of the friction surfaces "phosphored cast-iron-steel 45" has been calculated. The maximal rapprochement achieves as a result of plastic deformation of friction surfaces. The contact pressure decreases to 30 % and the wear minimizes.