Дисипативні властивості фрикційного контакту та їхній вплив на фретингостійкість трибосистем

Дисипативні властивості фрикційного контакту та їхній вплив на фретингостійкість трибосистем

Міністерство освіти і науки України

Хмельницький національний університет

Кирилков Володимир Андрійович

УДК 621.891

дисипативнІ властивості фрикційного контакту

та Їхній вплив на фретингостійкість трибосистем

Спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хмельницький - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Хмельницькому національному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Шевеля Валерій Васильович

Хмельницький національний університет,

професор кафедри фізики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кузьменко Анатолій Григорович

Хмельницький національний університет,

завідувач кафедри зносостійкості і надійності машин

кандидат технічних наук, ст. наук. співробітник

Краля Віталій Олексійович

Національний авіаційний університет (м. Київ),

доцент кафедри технологій відновлення авіаційної техніки

Захист відбудеться «13» червня 2008 р. о 10:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 70.052.02 у Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1.

Автореферат розісланий « 7 » травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Калда Г. С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Довговічність та надійність машин в значній мірі пов'язана з довговічністю та надійністю роботи в умовах фретингу трибосполучень. Як відомо, в процесі динамічного контактування твердих тіл, що має місце при терті, відбувається безперервне підведення до трибосистеми механічної енергії та її розсіювання (дисипація), яке здійснюється як за захисними, так і за ушкоджуючими механізмами. Чим більша кількість енергії розсіюється за захисними механізмами, тим вища зносостійкість пари тертя. Відповідно, у збільшенні розсіювання підведеної механічної енергії за захисними механізмами фактично закладено ресурс підвищення працездатності вузлів тертя.

Значна частина дисипативних процесів пов'язана з проявом контактуючими матеріалами в'язко-пружних властивостей. Певні механізми внутрішнього тертя, що реалізуються при цьому, сприяють релаксації пікових контактних напружень і необоротному розсіюванню механічної енергії з перетворенням її в теплоту. Велика роль в розсіюванні підведеної механічної енергії належить також мастильним матеріалам. Взаємодія активованого тертям металу з компонентами середовища викликає трибохімічні дисипативні процеси з утворенням хімічних сполук, які також впливають на зносостійкість вузлів тертя. Таким чином, вивчення закономірностей дисипації механічної енергії, яка визначається реологічними властивостями як матеріалу пари тертя, так і мастильного матеріалу, та її зв'язку з фретингостійкістю має важливе значення для вирішення актуальної проблеми підвищення працездатності трибосистем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до державних наукових і науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки «Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі», затверджених постановою Кабінету Міністрів України від 24.12.2001 № 171, сформульованого на основі Закону України «Про пріоритетні напрямки розвитку науки» від 11.07.2001 № 2623-ІІІ пріоритетного напрямку «Машинобудування і приладобудування як основа високотехнологічного відновлення усіх галузей», плану проведення науково-дослідних робіт Хмельницького національного університету в рамках держбюджетної теми № 5Б-2008 «Внутрішнє тертя фрикційного контакту і керування динамічною напруженістю та зносостійкістю механічних трибосистем» (№ ДР 0108U001278) та плану держбюджетних науково-дослідних робіт кафедри безпеки життєдіяльності.

Мета і завдання дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є вивчення закономірностей впливу дисипативних властивостей фрикційного контакту на фретингостійкість трибосистем і розробка на їх основі рекомендацій з вибору реологічних параметрів, що забезпечують підвищення працездатності пари тертя.

Відповідно до мети були поставлені та розв'язані наступні завдання:

- розробити методику дослідження дисипативних властивостей трибосполучення, засновану на збудженні і аналізі згасаючих крутильних коливань у контакті в режимі попереднього зміщення;

- дослідити закономірності дисипативних явищ в умовах реверсивного попереднього зміщення;

- вивчити зміну дисипативних властивостей контакту на ранніх стадіях низькоамплітудного фретингу;

- вивчити розвиток фретинг-корозії та оцінити вплив релаксаційних явищ на фретингостійкість трибосистеми в умовах граничного тертя;

- обґрунтувати принципи забезпечення фретингостійкості контакту пластичними мастильними матеріалами.

Об'єктом дослідження є фрикційний контакт, працюючий в умовах фретинг-корозії.

Предмет дослідження - дисипативні властивості та фретингостійкість контакту в умовах без мащення та мащення мастильними матеріалами.

Методи дослідження. В процесі експериментальних досліджень проводились: оцінка дисипативних властивостей контакту методом крутильного маятника, вимірювання коефіцієнта тертя в процесі фретингування із застосуванням методу тензометрії. Параметри шорсткості контактуючих поверхонь контролювались за допомогою профілографа-профілометра мод. «Калибр-ВЭИ». Також застосовувалась спеціальна випробувальна апаратура для визначення фізико-механічних властивостей матеріалу зразків. В теоретичних дослідженнях при побудові і розв'язанні математичних моделей використовувались методи теоретичної механіки і реології.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблена методика оцінки дисипативних властивостей дозволила вперше дослідити реологічні явища при фретинг-корозії металів у зв'язку із трибологічними характеристиками вузла тертя.

2. Встановлено закономірності розсіювання механічної енергії в умовах реверсивного попереднього зміщення з урахуванням впливу амплітуди коливань, нормального навантаження, контактної температури, термообробки сталі, мікрошорсткості контактуючих поверхонь і тривалості контактування.

3. Показано, що логарифмічний декремент коливань, що є показником динамічних в'язко-пружних властивостей контакту, може служити мірою динамічної напруженості сполучених поверхонь, ступеня їхнього ушкодження і стадійності фретинг-процесу.

4. Встановлено, що граничні мастильні шари сприяють істотному подовженню інкубаційного періоду фретинг-процесу. При певних температурно-швидкісних режимах граничного тертя релаксаційне внутрішнє тертя металевої підкладки може виступати одним із факторів, які контролюють температурну та протифретингову стійкість мастильного шару.

5. Встановлено, що показники фретингостійкості пластичних мастильних матеріалів (коефіцієнт тертя та інкубаційний період) покращуються з підвищенням їхньої демпфірувальної здатності і зі зниженням опору зсуву.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Проведено експериментальну оцінку фретингостійкості ряду технічних пластичних мастильних матеріалів з урахуванням впливу добавок, що мають пластинчасто-шарувату структуру.

2. На основі встановленого в ході досліджень взаємозв'язку між дисипативними властивостями мастильних матеріалів і їхньою фретингостійкістю запропоновано метод порівняльної експрес-оцінки антифретингової здатності пластичних мастильних матеріалів.

Впровадження результатів досліджень. Розроблений метод порівняльної експрес-оцінки антифретингової здатності пластичних мастильних матеріалів впроваджено у ВАТ «АК Адвіс» і на Волочиському машинобудівному заводі ВАТ «Мотор Січ». Метод використовувався при виборі пластичних мастильних матеріалів для змащування з'єднань деталей комбайну «Марал 125 - Поділля» та пересувної електростанції ПАЕС-2500.

Особистий внесок здобувача. Основні результати експериментальних та теоретичних досліджень отримані автором самостійно. Постановка завдань, вибір методів їхнього розв'язання виконані разом з науковим керівником. Особисто автором розроблено методику оцінки механічних втрат у фрикційному контакті [1], модернізовано установку для дослідження дисипативних властивостей контакту [2, 4], виконано експериментальні дослідження, обробку та аналіз усіх отриманих даних [1-10], сформульовано висновки за результатами досліджень впливу мастильних матеріалів на розвиток фретинг-пошкоджень [4, 6].

Апробація результатів роботи. Основні положення роботи доповідались і обговорювались на міжнародних науково-практичних конференціях «Динаміка наукових досліджень» та «Наука і освіта» (Дніпропетровськ, 2003-2005), на 7-му Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 2005), на міжнародних конференціях «Вібрації в техніці та технологіях» (Полтава, 2005), «Теоретичні та експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування» (Луцьк, 2007), «Ольвійський форум 2007: стратегії України в геополітичному просторі» (Ялта, 2007) та на науково-технічних конференціях викладачів Хмельницького національного університету (Хмельницький, 2006-2008).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей та 4 тези конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти глав, висновків, списку використаних джерел із 152 найменувань і додатків. Повний обсяг роботи складає 157 сторінок, що містять 50 рисунків та 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ до дисертації розкриває важливість обраної проблеми, містить обґрунтування актуальності теми, сформульовану мету та задачі дослідження, відомості про наукову новизну, практичну цінність та впровадження отриманих результатів, апробацію та публікації основних положень роботи.

У першій главі проведено аналіз робіт відомих вітчизняних та закордонних авторів А. В. Верховского, І. В. Крагельского, І. Р. Коняхіна, А. С. Ахматова, Р. Міндліна та інших, які присвячені явищу попереднього зміщення.

Також проаналізовано основні закономірності фретинг-процесу у зв'язку з впливом різних чинників, реології контактної взаємодії та методи підвищення фретингостійкості трибосистем, викладені у роботах Н. Л. Голєго, А. Я. Аляб'єва, В. В. Шевелі, А. В. Рябченкова, Г. Н. Філімонова, В. С. Іванової, В. Н. Степанова, В. І. Похмурського, Л. Т. Балацького, В. В. Ковалевського, С. Г. Костогриза, Г. С. Калди, В. П. Олександренка, Г. Томлінсона, Р. Б. Уотерхауза, Д. Холлідея, В. Хірста та інших дослідників.

Розглянуто основні фактори, що впливають на фретингостійкість трибосистем. Показано суперечливість деяких отриманих залежностей та відсутність однозначного зв'язку, що істотно ускладнює розробку методів та рекомендацій з підвищення фретингостійкості трибосистем. Показано, що незважаючи на серйозні дослідження фретингу, дотепер залишається маловивченим цілий ряд питань.

Встановлено існування взаємозв'язку непружної поведінки металів із пошкоджуваністю. Показано, що виникаючі під час контактної взаємодії дисипативні явища потребують більш глибокого вивчення.

З'ясовано, що застосування мастильних матеріалів може розглядатися як метод попередження та гальмування розвитку фретинг-корозії. Внаслідок низької швидкості ковзання та реверсивності руху при фретингу масла нездатні ефективно розділяти контактуючі поверхні. Застосування замість масел пластичних мастильних матеріалів полегшує розв'язання вказаної проблеми. В той же час лишається невідомим: які з їхніх показників є визначальними при виборі вказаних матеріалів.

З урахуванням викладеного вище визначено мету та завдання дослідження, а аналіз робіт з попереднього зміщення дозволив дійти висновку, що вивчення характеристик збуджених згасаючих коливань у фрикційному контакті в умовах попереднього зміщення може виступати як достатньо ефективний метод дослідження дисипативних явищ у трибосполученні.

У другій главі описано експериментальні установки та методику проведення досліджень.

Дослідження дисипативних властивостей контакту виконувалось на спеціальній установці - маятниковому триборелаксаторі, виготовленому на базі інструментального мікроскопа БМИ-1, методом збудження вільних згасаючих крутильних коливань у контакті зразків в умовах попереднього зміщення.

Робоча частина триборелаксатора (рис. 1, а) являє собою крутильний маятник, який включає в себе досліджувану пару зразків. Контакт зразків здійснюється за схемою «площина (нижній зразок) - торець втулки (верхній зразок)». Верхній зразок 1 досліджуваної пари нерухомо закріплюється у тримачеві установки, нижній зразок 2 - на інерційній деталі (маятникові) 3 і спирається на опору 4 у вигляді голки. Зразки притискаються один до одного нормальною силою Р заданої величини. Пропусканням через котушку 6 короткого імпульсу постійного струму маятник приводиться у крутильний коливальний рух в горизонтальній площині. Величина струму встановлюється такою, щоб у процесі здійснення коливань досліджуваний контакт перебував у режимі попереднього зміщення. Виникаючі при цьому крутильні коливання маятника носять згасаючий характер, що визначається переважно дисипативними властивостями досліджуваного контакту.

Коливання маятника реєструються ємнісним датчиком переміщень 5, сигнал з якого подається на два електронних частотоміри. Один із них вимірює частоту коливань маятника н, квадрат якої характеризує тангенціальну жорсткість досліджуваного контакту; інший - кількість коливань маятника Ne за проміжок часу, протягом якого початкова амплітуда коливань зменшується в e разів (e 2,72). Дисипативні властивості контакту оцінювалися величиною логарифмічного декременту коливань, що розраховувався за формулою:

, (1)

де A0 ? початкова величина амплітуди коливань; ? амплітуда Ne-го коливання.

При подачі на котушку 6 коротких періодичних імпульсів струму для забезпечення поповнення втрат енергії маятника за цикл із частотою, рівною частоті власних коливань маятника, в установці реалізується нанесення пошкоджень на контактуючі поверхні зразків у режимі попереднього зміщення. Це дозволяє досліджувати еволюцію дисипативних властивостей контакту в процесі фретингу з частковим проковзуванням.

При модернізації триборелаксатор було додатково оснащено спеціальною приставкою для нанесення пошкоджень на контактуючі поверхні зразків при фретингу з повним проковзуванням та пружинним динамометром для вимірювання моменту найбільшої сили тертя спокою .

Для проведення досліджень використовувалися сталеві пари зразків (рис. 1, б). Кільцева площадка контакту мала зовнішній діаметр, рівний 5 мм, і внутрішній, рівний 3 мм. Величина амплітуди коливань визначалася на середньому радіусі контактної площадки.

Розглянуто механізми розсіювання енергії, які діють в коливальній системі триборелаксатора. Показано, що при дослідженні, пов'язаному з дією певного механізму, вимірювання слід проводити в таких умовах, коли внесок у загальне розсіювання за рахунок інших механізмів (фон) був би якомога меншим.

Оскільки вимірюване під час досліджень на триборелаксаторі попереднє зміщення фактично являє собою суму двох складових - попереднього зміщення, обумовленого об'ємною пружною деформацією коливальної системи, та контактного попереднього зміщення, - на основі побудови та розв'язання математичних моделей коливальної системи отримано вираз для визначення початкової амплітуди контактного попереднього зміщення:

, (2)

де A02, н -початкова величина амплітуди попереднього зміщення, що визначається за показниками датчика переміщень триборелаксатора, та частота коливань маятника триборелаксатора відповідно при випробовуваннях пари зразків; н0 - частота коливань маятника при випробовуванні спеціального монолітного зразка (рис. 1, б), форма і розміри якого повторюють зовнішню конфігурацію сполученої пари зразків.

Фретинг-дослідження також здійснювались на установці МФК-1, в якій передбачено контроль основних параметрів, які визначають умови та інтенсивність поверхневого руйнування (сила тертя, питоме навантаження, частота та амплітуда коливань, число циклів навантаження). Досліджувані зразки були виконані у вигляді втулки та суцільного циліндра. Контакт здійснювався по торцях при крутильному коливальному русі втулки відносно нерухомого циліндра.

Третя глава присвячена дослідженням дисипативних властивостей контакту при реверсивному попередньому зміщенні. Досліджувався вплив таких факторів, як початкова амплітуда коливань, нормальний тиск, температура у зоні контакту, структурний стан матеріалу зразків, мікрошорсткість контактуючих поверхонь та тривалість часу контактування.

Встановлено, що при всіх досліджених навантаженнях із збільшенням амплітуди аж до граничного значення [A0], при якому зсувна сила стає рівною найбільшій силі тертя спокою, енергія, що розсіюється, зростає. Підвищення нормального тиску викликає збільшення граничного значення амплітуди [A0].

Для амплітуд, що не перевищують граничних значень, із збільшенням нормального навантаження логарифмічний декремент коливань зменшується (рис. 2, криві 1-5). Це свідчить про зниження дисипативних властивостей контакту внаслідок збільшення його тангенціальної жорстокості в результаті зростання зближення нерівностей та розвитку адгезії. Про підвищення тангенціальної жорстокості контакту із збільшенням нормального навантаження свідчить відповідне зростання квадрата частоти коливань (рис. 2, крива 7). Одночасно виявляється зростання граничних значень логарифмічного декременту коливань (граничної демпфірувальної здатності) [д] (рис. 2, крива 6), із перевищенням яких починається проковзування, та моменту найбільшої сили тертя (рис. 2, крива 8). Із зростанням тиску також змінюється вид деформації: від пружної до пружно-пластичної. На рис. 2 відповідні області умовно поділені штрих-пунктирною лінією (область А відповідає пружному контакту, область В - пружно-пластичному, область С - умовам проковзування).

Встановлено, що з підвищенням температури відбувається зниження демпфірувальних властивостей контакту. Очевидно, що з огляду на те, що досліджувана сталь є феромагнетиком, варто враховувати температурну залежність декременту, обумовлену магнітомеханічним гістерезисом (магнітопружним згасанням). Відомо, що цей вид втрат, який дає значний внесок у загальний рівень згасання, істотно знижується з підвищенням температури. Крім того, можливий прояв деформаційного старіння, який сприяє зростанню пружності матеріалу. Варто також враховувати, що при термічному розширенні зразків, які формують сполучення, додатково підвищується контактний тиск. Це повинно сприяти зниженню декременту коливань за двома причинами: внаслідок зростання жорсткості контакту, а також через зменшення внеску магнітопружного згасання, що має місце при збільшенні статичних стискаючих напружень.

Встановлено, що зі збільшенням часу контактування спостерігається зменшення логарифмічного декременту коливань. Порівняно крута часова залежність декременту коливань в контакті сталі 45, яка пройшла загартування та відпуск при температурі 200 0С, може бути пояснена високою мікроповзучістю структури, сформованої в процесі термообробки. Відпущена при температурі 400 0С сталь має сильно подрібнену структуру, яка являє собою феритно-цементитну суміш із мілкими цементитними частками, і високу щільність закріплених карбідами дислокацій та характеризується повним розпадом залишкового аустеніту і виходом твердого розчину з перенасиченого стану. Така стабілізація структури сталі веде до різкого зростання її опору мікродеформаціям і зумовлює пологу часову залежність логарифмічного декременту коливань. В результаті високого відпуску відбувається коагуляція цементитних часток, що створює умови, які сприяють підсиленню мікроповзучості і, як наслідок, інтенсивному зниженню логарифмічного декременту коливань високовідпущених зразків.

Страницы: 1, 2