Синергетические аспекты повышения износостойкости конструкционных материалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Секция механики

УДК 621.793+621.9.06

В.И. Бутенко, АЛ- Захарченко, В.И. Косов, Д.С. Дуров

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Современные машины и механизмы в технических науках обычно рассматриваются как сложные системы, обладающие свойствами и поведением природных систем. Возникла насущная потребность выявления и рационального использования механизмов, действующих в природных системах и определяющих основы их функционирования, а также прогноза развития неосферы (по В.И. Вернадскому) с целью гармоничного вхождения искусственных систем в естественную картину мира. Такое объединяющее направление современной науки о развитии сложных процессов разнообраз-, -тикой - наукой о самоорганизации в нелинейных диссипативных системах. Чрезвычайно важную роль в работоспособности технических систем играют вопросы структуризации материала поверхностного слоя деталей в условиях самоорганизации трибосопряжений.

,

температуры в материале поверхностного слоя детали трибосистемы протекают сложные структурные и фазовые изменения, приводящие к новому состоянию материала и изменению его механических свойств. На машине

[1 ]

поверхностного слоя деталей в зависимости от условий трения: давления Р, скорости скольжения Уск и состава используемой в трибосистеме сма-.

Предварительные исследования показали, что при невысоких давлениях и скоростях скольжения сопряженных поверхностей деталей трибоси-стем (Р=0,5-2,0 МПа, \/С((=0,5-0,8 м/с, без смазки) достаточно быстро достигается режим установившегося трения и параметры шероховатости поверхностей принимают равновесные значения. При этом не наблюдается сколько бы то ни было выраженного структурирования материала поверхностно.

зон, охваченных формированием продуктов износа в виде чешуек. Однако применение смазки в зоне трения приводит к существенному изменению состояния поверхностного слоя сопряженных деталей и процессу формирования продуктов износа: резко сокращаются зоны, охваченные формирующимися продуктами износа, а по толщине поверхностного слоя в материале возникают поверхностные микропоры, заполненные смазкой и являющиеся своеобразными «масляными карманами».

Как показывают исследования, переходу трибосистемы в состояние самоорганизации предшествует такой предбифуркационный режим, при

котором проявляется туннельный эффект используемой смазочной композиции.

Сущность туннельного эффекта состоит в том, что в процессе трения на поверхности трибообъекта формируется особая металлополимерная структура, обладающая защитной функцией и выполняющая роль поверхностного масляного кармана. В общем случае металлополимерная структура имеет фрагментальное строение, состоящее из отдельных ячеек сложного состава (рис. 1), расположенных в местах повышенных внутренних напряжений материала поверхностного слоя трибосопряжения и скопления дислокаций. Такая структура способствует образованию туннельных микропроходов смазки вглубь поверхностного слоя. Одновременно более мягкая металлополимерная структура выступает в роли демпфера, снижая колебания в трибосистеме.

Процесс формирования металлополимерных структур и туннельных микропроходов идет непрерывно по мере изнашивания поверхностного слоя детали трибосистемы.

Такая структура поверхностного слоя сохраняется и в бифуркационной , -ски всю поверхность трибосопряжения и при этом имеют сравнительно .

сн2- 1 сн 1 СН2 1 СН2- 1 сн 1 -СН2 1 СН2 1 сн 1 — сн, 1 '

1 О 1 О 1 О 1 О 1 О 1 О 1 О 1 О 1 О

1 \ / 1 \ / 1 \ /

н Ме н Ме н Ме

/ \ / \ / \

0 1 О 0 1 0 1 0 1 0 1

о 2н 1 1 сн 1 с 2н ю с 2н ю 1 1 сн 1 с 2н ю с 2н ю 1 1 сн 1 — сн.

Рис.1. Предполагаемая схема металлополимерной структуры, возникающей на поверхности трибосопряжения

Переход трибосистемы в состояние самоорганизации в значительной степени зависит от условий и режимов работы пары трения, т.е. каждому сочетанию режимов и условий для одних и тех же пар трения соответствуют свои периоды перехода в состояние самоорганизации. Даже незначительные отклонения от этого сочетания приводят систему в обычное состояние, при котором наблюдается резкое увеличение скорости изнашивания материала, коэффициента трения вплоть до схватывания материала поверхностей сопряженных тел в режиме, например, граничного трения.

Экспериментальные исследования силы трения и состояния трибоси-, -

( , ),

которые достигают своего пикового значения в бифуркационной точке. В период самоорганизации трибосистемы частота и амплитуда колебаний минимальны. Анализ полученных экспериментальных данных дает основание ввести в процесс функционирования трибосистем критерий появления бифуркационной точки в изменениях параметров трения, зависящий от режимов и условий функционирования трибосистемы:

ы/ = Сх- р- Уск ,

(1)

где С-1 - коэффициент пропорциональности, принимаемый в зависимости от материалов трибосистемы и размерностей р, Цск.

Установлено, что в трибосистеме, состоящей из двух сопряженных поверхностей и смазочной композиции между ними, бифуркационные точки состояния возникают независимо как в материалах сопряженных деталей, так и в смазочной композиции, причем, как правило, не согласованные друг с другом (рис. 2,а,б). Однако при совмещенности используемых в трибосистеме материалов наступает резонансный эффект, который выражается в многократном увеличении амплитуды колебаний параметров трибосистемы ( . 2, , ). , -босистемы, в которой параметры трения принимают минимальные значе-

( . 2, ).

Если обозначить момент появления бифуркационной точки в смазочной композиции трибосистемы через ТЪ/, а момент появления бифуркационной точки в материалах поверхностного слоя деталей трибосистемы (для случая использования одного и того же материала в сопряженных деталях)

через Т'Ъ/ , то для совмещенных материалов резонансный эффект бифуркационного состояния трибосистемы будет иметь место каждый раз при условии

т -Тн = пТ

Ы/

(2)

п

где т, п и-------целые числа, причем т>0, п>0.

т

Анализ выполненных экспериментальных исследований функционирования трибосистем с различными смазочными композициями позволил получить эмпирическую формулу определения критерия появления бифуркационной точки в смазочной композиции

( ( ь

= С2 - Яв 1 -ехр -С3 -р- —

УК ь

\\

(3)

))

где Яе - число Рейнольдса, т - динамическая вязкость используемой смазочной композиции; Л0 - минимальная толщина смазки, при которой возможно гидродинамическое трение в трибосистеме; Л - фактическая толщи; С2, С3 - -

.

Используя ранее выполненные теоретические исследования процессов изнашивания поверхностного слоя деталей трибосистемы в свете поведения дислокационной структуры материала [2], было получено выражение для определения критерия появления бифуркационной точки в материалах сопряженных деталей

п(1 - V)-р- К

о-к

I —

ехр

2г 1

\\

1 -Ж0 - ехр

V ЭФ УД

и

\\

К-в

(4)

CM _M

Рис.2. Колебания в трибосистеме в зависимости от и

где V - число Пуассона; Кр - показатель дислокационной насыщенности материала поверхностного слоя деталей трибосистемы; в - модуль сдвига; Ьк

г

- вектор Бюргерса; г - радиус кривизны изогнутой вокруг частицы внедрения дислокации; и0 - высота активационного барьера, обусловленная контактным взаимодействием трущихся поверхностей деталей; 1эф - среднее эффективное расстояние между поверхностями частиц выделений в структуре материала; W0 - постоянная, связанная с частотным множителем; К0 -постоянная Больцмана; 0 - температура на поверхности трения; С4 - коэффициент пропорциональности.

Совместное рассмотрение выражений (1) - (4) позволяет прогнозировать появление бифуркационных точек в трибосистеме и эксплуатационнотехнологическими путями обеспечивать состояние ее самоорганизации.

С другой стороны, структуризация материала поверхностного слоя деталей в условиях самоорганизации позволяет изменять механические характеристики используемых в машино- и приборостроении сталей и спла-.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дробот С.Н., Бутенко В.И., Макулин АД., Новохатский М.В. Динамометр для измерения моментов трения // Исследования в области физики резания, трения и износа: Труды ин-та, Новочеркасск: Изд-во НПИ, 1975. С.56-59.

2. Бутенко В.И. Формирование и изнашивание поверхностного слоя детали. Таганрог: Изд-во ТРТУ, І999. 193с.

УДК 621.831

АЛ- Захарченко

ПАРАМЕТРЫ ПРИБОРНЫХ ВОЛНОВЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

В устройствах приборов и систем управления широкое применение получили волновые зубчатые передачи. Примерами могут быть системы дис, -туры, приводы антенн радиолокационных устройств, лентопротяжные механизмы, автоматические записывающие приборы и др.

Такое широкое применение волновых передач в этих системах можно объяснить принципиальными качественными особенностями, которые хорошо вписываются в требования приборных систем и которые достаточно хорошо освещены в литературе.

В данной работе проанализированы основные параметры и определены область их рациональных значений для основных деталей и схем вол, .

Передаточное отношение - в одноступенчатой передаче с электроприводом рекомендуется принимать от 50 до 250.

Модуль зацепления - в механизмах приборов и систем управления применяются как силовые, так и кинематические передачи с модулем т=0,2 ... 2,0 мм.

Нагрузочная способность - большая многопарность мелкомодульного зацепления (до 40% зубьев) обеспечивает хорошую нагрузочную способ.

Ки нематическая точность - обеспечивается достаточно высокая точность вследствие уменьшения общей ошибки при большом числе зацепляющихся зубьев и сведения к минимуму мертвого хода.