Введение к работе
Актуальность темы. Многие машины и механизмы работают в условиях сильного загрязнения абразивными частицами, как в условиях сухого трения, так и в присутствии смазки Как правило, интенсивность изнашивания трибосопряжений при воздействии абразивных частиц составляет 10"3 10"8, что приводит к низкой долговечности узла трения и, как следствие, значительным расходам на эксплуатацию В таких условиях работают подшипники скольжения сельхозтехники, технологического оборудования и т п Применение уплотняющих элементов, как правило, влечет за собой удорожание конструкции, увеличение габаритных размеров, поэтому не всегда возможно, особенно при загрязнении смазки микрочастицами В особо тяжелых условиях эксплуатации находятся узлы трения станков для шлифования и полирования стекла или хрусталя, для которых абразивные частицы микронного размера являются продуктами разрушения обрабатываемых материалов
Несмотря на высокие эксплуатационные показатели современных полимеров и композиционных материалов на их основе, сравнительно высокая стоимость и малодоступность является существенным препятствием для их использования С другой стороны имеется обширная номенклатура крупнотоннажно выпускаемых полимеров, имеющих хорошие эксплуатационные свойства при сравнительно низкой стоимости, как по отношению к современным композиционным материалам, так и к цветным металлам, широко применяемым в узлах трения
Представления о природе абразивного изнашивания в условиях трения скольжения долгое' время базировались главным образом на экспериментальных данных При этом характер взаимодействия единичной абразивной частицы с поверхностным слоем втулки рассматривался как действие единичного индентора
Принято считать, что абразивное изнашивание связано с царапающим, либо режущим действием отдельных абразивных частиц Вместе с гем, исследованиями М М Тененбаума и И В Крагельского показано, что уменьшение интенсивности абразивного изнашивания, в случае изготовления одной из сопряженных деталей из термопластов, связано с тем, что абразивные частицы, внедрившиеся в поверхностный слой детали из мягкого материала, при определенных условиях могут быть приведены в пассивное состояние, поскольку в результате внедрения частиц в мягкий материал их абразивная активность
снижается Механизм изнашивания поверхностного слоя термопластов в таких условиях изучен недостаточно, особенно с учетом взаимного влияния частиц Представляет интерес оценить напряженное состояние поверхностного слоя, возникающее при внедрении не одной, а совокупности абразивных частиц в поверхностный слой термопластичной втулки и оценить их совместное действие на разрушение поверхности
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение износостойкости трибосопряжений стальной вал-термопластичная втулка на основе развития модели совместного действия абразивных частиц и поверхностного слоя втулки Для достижения этой цели поставлены следующие основные задачи
Оценить напряженное состояние поверхностного слоя термопластичной втулки с учетом его упруго-пластических свойств при взаимодействии с единичной абразивной частицей
Оценить напряженное состояние поверхностного слоя термопластичной втулки при внедрении в него двух близкорасположенных абразивных частиц
Экспериментально определить износостойкость исследуемых термопластов при воздействии абразивных частиц
4. Сравнить результаты расчетов напряженного состояния с результатами экспериментальных исследований трибосопряжения вал-втулка
5 На основании экспериментальных и теоретических исследований разработать методику оценки износостойкости термопластов и выдать практические рекомендации по выбору материала втулки для трибосопряжений
Методы исследований. Для моделирования внедрения абразивных частиц в поверхностный слой втулки использован метод конечных элементов (МКЭ) применительно к контактным задачам с большими деформациями
Для экспериментальной проверки полученных результатов и подготовки исходных данных для расчетов и моделирования проводились испытания на износ по схеме вал-втулка в присутствии в смазке абразивных частиц
После испытаний поверхности трения образцов и абразивные частицы исследовали с помощью оптической и атомно-силовой микроскопии
Научная новизна. В результате комплексного исследования поверхностного слоя термопластичных втулок, работающих в условиях смазки маслами с дисперсными частицами, предложен уточненный механизм изнашивания сопряжения вал-термопластичная втулка микроабразивными частицами Установлено, что в установившемся режиме работы сопряжения при определенных условиях существенный вклад в изнашивание могут оказывать процессы внедрения абразивных частиц, разрушение микрообъемов термопласта между ними и удаление при трении
На основании исследования напряженного состояния поверхностного слоя термопласта при внедрении в него абразивных частиц, определено соотношение между радиусом частицы и расстоянием между двумя близкорасположенными в термопласте абразивными частицами, при котором поверхностный слой не способен выдержать тангенциальные нагрузки, возникающие при приложении сил трения Это соотношение зависит от упругопластических свойств термопласта и может выступать одним из критериев его абразивной износостойкости Предложенная модель изнашивания нашла прямые и косвенные подтверждения на основании анализа напряженного состояния поверхностного слоя термопласта при внедрении абразивных частиц и экспериментов по изнашиванию термопластичных втулок
Практическая значимость работы. Предложена методика оценки износостойкости термопластичных втулок, основанная на моделировании МКЭ внедрения абразивных частиц в поверхностный слой термопластичной втулки и оценке напряженного состояния области между абразивными частицами Результаты работы могут быть применены при подборе материалов для подшипников скольжения, работающих в условиях сильного загрязнения смазки абразивными частицами Проведенные промышленные испытания на ОАО «Тверь-стекло-М» показали увеличение на 15 % износостойкости ірибосопряжения при снижении себестоимости втулки, о чем имеется соответствующий акт
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной конференции «Поликомтриб-2005» (г Гомель, респ Беларусь, 2005 г ), «Транстрибо-2005» (Санкт-Петербург, 2005 г ), на совместном заседании кафедр СМТУиП и Физики ТГТУ (Тверь, 2007)
Связь работы с научными программами, целями и темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением «Трение и износ в машинах» ТГТУ и хоздоговорной тематикой с ОАО «Тверь-стекло-М»
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения и списка использованных источников Работа изложена на 117 листах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 12 таблиц, перечень ссылок из 117 наименований и 1 приложения
