Визначення експлуатаційних характеристик фрикційних поверхонь

ВИЗНАЧЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФРИКЦІЙНИХ ПОВЕРХОНЬ

В.В. Возненко

Національний технічний університет України КПІ

Математична модель була розроблена для прогнозування зносостійкості та коефіцієнта тертя на поверхні дискретно-орієнтованої топографії тертя між втулкою та валом. На основі цієї моделі було зроблено теоретичні та експериментальні дослідження визначення параметрів, які покращують якість роботи тертя. На основі результатів експериментів було зроблено виправлення параметрів дискретно-орієнтованої топографії та шорсткості поверхні тертя в умовах роботи.

Вступ

Надійність і довговічність приладів визначається надійністю роботи його деталей і вузлів, збереженням у часі об'ємної і поверхневої зносостійкості робочих поверхонь від впливу експлуатаційних навантажень та середовища. Напрацювання в теорії науково-обґрунтованого визначення фізико-хімічних властивостей і форми робочих поверхонь тертя [1-2], а також технологічних методів створення таких поверхонь [3] дозволяють визначити шляхи цілеспрямованої модифікації робочих поверхонь деталей при їх виготовленні, виходячи з подальшого функціонального призначення цих поверхонь.

Актуальною проблемою є формування функціональних поверхонь деталей пар тертя, які здатні забезпечити високі і стабільні показники їх експлуатаційних характеристик і безвідмовність роботи приладів. У приладобудуванні у вузлах тертя для деталей, які вимагають високої точності взаємного позиціонування, виникає необхідність зменшення зусиль поворотного моменту і переміщення вздовж осі за рахунок зменшення коефіцієнта тертя. Забезпечення точності у вузлах типу «вал-втулка» досягається через малий зазор (3 _ 4 мкм) між деталями і жорсткістю конструктивних вимог до деталей. Зниження сили тертя і зношування у вузлі за рахунок підвищення мастилоємності і зміцнення поверхні пар тертя можна досягти, застосувавши спосіб формування дискретно-орієнтованої топографії (ДОТ) поверхні деталей одним з методів поверхнево-пластичного деформування - віброударного.

Є ряд задач, які в науковому і технічному плані залишаються невирішеними. До них відносять питання розроблення моделей, що прогнозують характер зношування поверхонь тертя, розвитку і упровадження технологій формування і зміцнення функціональних робочих поверхонь деталей.

Поставлення задачі

Розробити математичну модель прогнозування зносостійкості і коефіцієнта тертя вузла «вал-втулка» з поверхнею ДОТ деталей на основі проведення теоретичних та експериментальних досліджень при врахуванні умов експлуатації, механічних, теплофізичних і контактних явищ, топографії і шорсткості поверхні.

Математична модель прогнозування зносостійкості і коефіцієнта тертя поверхні днскретно-орієнтованої топографії. Моделювання зношування і коефіцієнта тертя ДОТ поверхні деталей в парі «вал-втулка» розроблено на основі енергетичної моделі інтенсивності зношування пари тертя при постійному тиску [5] і функціональної залежності контактних параметрів поверхні від тиску в парі тертя «вал-втулка».

Інтенсивність зношування залежить від питомого тиску на контакті. Для циліндричних вузлів типу «вал-втулка» теоретично розподіл контактного тиску р() по дузі контактування з кутом можна визначити з розв'язання рішення контактної задачі для пружних тіл, обмежених циліндричними поверхнями, який підлягає закону:

(1)

де - максимальний питомий тиск на ДОТ поверхню втулки в центрі дуги контактування з кутом 2₀; Р - робоче навантаження; - щільність лунок (відношення площі лунок до номінальної площі поверхні); R₁ - радіус втулки; В - ширина втулки; кут контактування 2₀ визначаємо з виразу

де ₁,₂ - коефіцієнти Пуассона, відповідно втулки і вала; Е₁,E₂ - модулі Юнга матеріалів втулки і вала; - технологічний зазор між втулкою і валом. Середні напруження в площі контактування поверхні визначаються за формулою

(2)

Використаємо ці формули при дослідженні сили тертя і зношування ДОТ поверхні втулки і вала.

Дослідження інтенсивності зношування

У роботах [5, 6] показано, що питома інтенсивність зношування поверхонь пропорційна середній відносній деформації, яка вимірюється відношенням швидкості підведення енергії до контакту та швидкості поширення

де - номінальний питомий тиск на контакті, А_а - номінальна площа контакту, відповідає геометричній площі контактування деталі; т - параметр тиску; Н -- твердість поверхні більш м'якого контактуючого тіла; v_w - швидкість прикладання енергії, що дорівнює швидкості ковзання; v_s - швидкість поширення хвиль енергії в контактуючому тілі; х - параметр, який визначається вибраною моделлю точкового чи лінійного контактів, відповідно становить 1,5 і 3,0. Параметр тиску визначається як:

де , ,₁,₂ _ коефіцієнти параметрів геометрії поверхні; Н_zm -- твердість зміцненої поверхні.

Для вузла тертя «вал-втулка» з поверхнею ДОТ номінальний питомий тиск на контакті визначається за формулою (1), а номінальна площа контактування за формулою

(3)

Питома інтенсивність зношування по дузі контактування залежно від кута контактування і щільності лунок має вигляд:

Як бачимо з формули, на інтенсивність зношування вливають такі фактори, як змінний тиск по дузі контакту, залежний від щільності лунок, параметр тиску, що теж змінюється по дузі контакту і залежить від твердості зміцненої поверхні при формуванні ДОТ поверхні, швидкість в спряжені пари тертя.

Дослідження коефіцієнта тертя

При порушенні фрикційного зв'язку в парі «вал-втулка» відбувається зміщення поверхонь , яке можна характеризувати як абсолютне дотичне зміщення [7]:

де R - радіус закруглення вершини моделі окремого виступу; h - абсолютне зближення поверхонь при навантаженні контакту:

 - відносне зближення поверхонь; R_mах - максимальна висота виступів шорсткості поверхні. Відносне зближення поверхонь визначається як:

параметри початкової ділянки опорної кривої профілю поверхні t_p, яка визначається як

t_p = b^v.

Опір переміщенню в контакті має вигляд:

F =U_n/, де U_n

енергія, що підводиться до контакту і визначається як

Питоме дотичне напруження - при порушенні фрикційного зв'язку визначається виразом:

де _у - пружна складова дотичного напруження; _а - адгезійна складова дотичного напруження; - відносне дотичне зміщення на контакті при порушенні фрикційного зв'язку становить =h ; U_а - енергія по подоланню адгезійної взаємодії. Об'єм взаємодії V_B=hA_r при порушенні фрикційного зв'язку відбувається на фактичній площі контакту А_r.

Приріст густини енергії - и_р в контактній зоні визначається як

и_р=U_nV_кр

де V_кр критичний об'єм взаємодії; V_кр =_ТА_а визначається глибиною теплової взаємодії:

де к_Т - коефіцієнт теплової моделі; а - коефіцієнт температуропровідності; t =/v_w, час порушення фрикційного зв'язку при швидкості ковзання v_w.

Після перетворення опір контакту визначатиметься як

а коефіцієнт тертя

Коефіцієнт тертя вузла «вал-втулка» з ДОТ поверхнею тертя при номінальному питомому тиску на контакті р_а =p() і номінальній площі контактування (формула (3)) визначиться як

Як бачимо з формули, на коефіцієнт тертя вливають такі фактори, як розподіл нормальних і дотичних напружень по дузі контакту, об'єму взаємодії поверхонь, які залежать від щільності лунок і твердості зміцненої поверхні при формуванні ДОТ поверхні.

Теоретичні і експериментальні дослідження

Дослідження впливу ДОТ поверхні пари тертя «вал-втулка» на коефіцієнт тертя і зношування деталей вузла «вал-втулка» проведені для матеріалу втулки зі сплаву АК6, а вала - зі сталі 18Х2Н4МА.

При розрахунках взяті такі припущення: вид зношування є допустимим окисним, тобто поверхні тертя розділені вторинною структурою більш ніж на 200 А, що запобігає адгезійній взаємодії [5]; тертя проводиться без змащування; рухомий вал, що контактує з втулкою по всьому колу обертання, визначає шлях тертя. Область застосування моделі обмежена величиною відносного зближення поверхонь к, при якому пластичне відтиснення переходить в мікрорізання:

.

Розглянемо поверхню тертя втулки при постійному навантаженні Р = 50 Н. Як показали розрахунки, наявність ДОТ зменшує питому інтенсивність зношування, але збільшує зношену площу поверхні (рис. 1). Збільшення площі зношування пов'язане зі зростанням питомого навантаження на площу контактування, яка зменшується пропорційно щільності лунок.

Рисунок 1 - Залежність розподілу питомої інтенсивності зношування втулки - і по дузі контакту з кутом контактування 2₀ від щільності лунок -

Незначне збільшення площі зношування в ~1,3 разу при щільності від 0 до 40 % компенсується зменшенням інтенсивності зношування більш ніж у 4 рази. Зменшення питомої інтенсивності зношування пов'язано зі зміцненням поверхні, що зростає з щільністю лунок. Застосування віброударного способу формування ДОТ поверхні за рахунок пластичного деформування поверхні при нанесенні лунок приводить до зростання твердості (наклепу) поверхні залежно від матеріалу, щільності і глибини лунок у 1,5 _ 2,5 разу.

Розрахунки показали, що при зростанні швидкості ковзання в парі тертя «вал-втулка» при постійному навантаженні питома інтенсивність зношування втулки по дузі контакту рівномірно зростає. У діапазоні швидкостей ковзання v_w = 2 _ 5м/с максимальна питома інтенсивність зношування зростає приблизно у 2,5 разу.

Ступінь зменшення питомої інтенсивності зношування при збільшенні щільності лунок залежить від шорсткості поверхні - R_а. Так, у діапазоні щільності від 5% до 50% при шорсткості поверхні Rа = 1,25 мкм - питома інтенсивність зношування / зменшується майже у 3 рази, а при Rа = 0,16 мкм у 2 рази.

Розрахунок величини лінійного зношування від часу напрацювання проведено для поверхні втулки з лунками щільністю 25% по дузі контакту з кутом 2₀ 5° при навантаженні 100Н і швидкості обертання вала 1420 хв^-1. Результати розрахунку наведені на рис. 2.

Максимальний знос - h_maх ДОТ поверхні втулки в центрі дуги контактування за 200 год становитиме при дузі зношування l = 5,8 мм без змащування - 0,17 мм. На початку напрацювання дуга контактування становила l = 2 мм. Для порівняння, знос поверхні без ДОТ і без змащення за 200 год становитиме - 0,7 мм.

Для рухомого вала розрахунки залежності величини лінійного зношування від часу напрацювання і від щільності лунок ДОТ поверхні зі зміцнювальним ефектом (наклепом) Н_zm/Н = 1,3 _ 1,6 проведені з використанням формули (2). Розрахунки показали, що лінійне зношування вала залежить від величини наклепу поверхні, що залежить від глибини і щільності нанесених лунок. При наклепі, меншому за 1,4, мінімальне зношування спостерігається лише при = 25%. Збільшення щільності лунок і відповідно мастилоємності поверхні можна забезпечити за рахунок збільшення наклепу до межі, при якій пластичне відтиснення при зближенні поверхонь переходить в мікрорізання.

Рисунок 2 -- Залежність розподілу величини лінійного зношування h нерухомої втулки в парі тертя з валом по дузі зношування l з кутом від часу напрацювання t

Коефіцієнт тертя пари «вал-втулка», як бачимо з рис. 3, при збільшенні навантаження у вузлі тертя зростає в -1,8 разу. Це насамперед пов'язано з впливом енергетичних параметрів, що зростають з напруженням у парі тертя, що обумовлює і збільшення інтенсивності зношування поверхні (рис. 3б).

Збільшення щільності лунок знижує коефіцієнт тертя. На зменшення коефіцієнта тертя впливає подвійний фактор: зменшення номінальної площі контактування А_а і шляху тертя при збільшенні щільності лунок, а також зменшення фактичної площі контактування A_r, за рахунок зміцнення поверхні, що зменшує об'єм взаємодії і відповідно наведене напруження в контакті .

а) б)

Рисунок 3 - Залежність коефіцієнта тертя f
(а) та питомої інтенсивності зношування і (б) в парі тертя «вал-втулка» від навантаження Р і щільності лунок = 5 _ 45%

Для перевірки розрахунків проведено експериментальні дослідження з визначення параметрів робочих поверхонь деталей вузла тертя: втулки зі сплаву АК6 та вала зі сталі 18Х2Н4МА.

Для цього був вибраний ортогональний центрально-композиційний план другого порядку з трьома впливовими факторами: щільність лунок в діапазоні 0 _ 40%, шорсткість в діапазоні 0,32 _ 1,2 мкм і ступінь зміцнення поверхні в діапазоні 1 _ 2,5 при постійному навантаженні в контакті Р = 80 Н і швидкості обертання вала v_w =1420 об/хв, що відповідають верхній межі експлуатаційних параметрів. Випробування зразків пар тертя проводили на спеціальному стенді. При терті забезпечувалась постійна подача мастила ХФ 12-16 ГОСТ 5546-86 в зону тертя.

Обробка результатів експерименту показала, що раціональними параметрами ДОТ і шорсткості поверхні втулки і вала, що зменшують лінійну інтенсивність зношування і коефіцієнт тертя вузла, є: для втулки -щільність лунок 20 _ 30%, глибина лунок 25 _ 35 мкм, ступінь зміцнення поверхні ~ 1,8, шорсткість поверхні 0,32 _ 0,8 мкм; для вала - щільність лунок 30 _ 40%, глибина лунок 12 _ 15 мкм, ступінь зміцнення поверхні ~ 1,3, шорсткість поверхні 0,32 _ 0,6 мкм. При цьому лінійна інтенсивність зношування втулки зменшується майже у 3 рази, а вала у 1,5 разу, коефіцієнт тертя у вузлі знижується на 30%.

Висновки

Як показав аналіз, критичними параметрами дискретно-орієнтованої топографії поверхні, що впливають на інтенсивність зношування та коефіцієнт тертя, є: параметри технологічної обробки поверхні, твердість зміцненої поверхні, щільність лунок, питомий номінальний тиск у контакті.

Запропонований метод формування дискретно-орієнтованої топографії поверхні забезпечує зміцнення поверхні тертя, збільшення мастилоємності і рівномірний її розподіл, що дає додаткове зниження інтенсивності зношування та коефіцієнта тертя за рахунок створення умов для охолодження контактної поверхні і виникнення захисних вторинних структур.

Експериментальні дослідження показали, що раціональні співвідношення параметрів дискретно-орієнтованої топографії і шорсткості поверхні тертя для заданого експлуатаційного режиму забезпечують зниження сили тертя і зношування у вузлі «вал-втулка»з малим зазором між деталями ? 4 мкм.

SUMMARY

A mathematical model is developed for a prognosis to wear proof and coefficient of friction on the surface of the discrete-oriented topography in steam of friction of spigot-shaft. On the basis of model there are the conducted theoretical and experimental researches to determination of parameters, which improve operating quality of steam of friction. On to the results of experiment certain rational correlations of parameters of the discrete-oriented topography and roughness of surface of friction for the set operating conditions.

СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ

1. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах.- К.: Техника, 1970.-- 396 с.

2. Бершадский Л.И. Структурная термодинамикатрибосистем. - К.: Техника, 1990.-282 с.

3. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом.- Л.: Машиностроение, 1982.-248 с.

4. Возненко В.В. Обгрунтування параметра дискретно-орієнтованих поверхонь деталей пар тертя // Зб. наукових праць НТУ „ХПІ" «Високі технології в машинобудуванні». - Харків, 2005.-Вип.2(11). -С.74-83.

5. Марочкин В.Н. Прочность фрикционного контакта: Учебное пособие по расчету узлов трения. - Одесса: Мин. ВССОУССР, 1973. - 140 с.

6. Трение, изнашивание и смазка. Справочник: В 2-х кн. / Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина.- М.: Машиностроение, 1979. - Кн.2 . _ 358 с.

7. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. - М.: Наука, 1970. - 227 с.

8. Чичинадзе А.В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении.- М.: Наука, 1967.--232 с.

9. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов.- М.: Наука, 1965.- 278 с.