Введение к работе
Актуальность работы: В условиях рыночной экономики основополагающим фактором развития той или иной отрасли является конкурентоспособность выпускаемых механизмов и машин. Важным при этом ставится вопрос о надежности и долговечности машин и механизмов, что во многом определяется работоспособностью узлов трения, входящих в их конструкцию. В решении этой проблемы одна из основных задач заключается в исследовании факторов, определяющих трение и износ деталей, выявление закономерностей, характеризующих процесс трения и построения па этой основе физических моделей фрикционного взаимодействия. Особенно важно прогнозировать свойства контакта реальных поверхностей для перспективных узлов трения работающих в экстремальных условиях, например для современного вагоностроения, точного приборостроения и прецизионного машиностроения.
Изучение свойств контакта сопряженных поверхностей, таких как фактическая и контурная площади касания, сближение поверхностей под действием приложешюй нагрузки, размеры пятен контакта и объем зазора между контактирующими поверхностями позволяет прогнозировать трение и износ в машинах и механизмах. Кроме того данные свойства контакта определяют такие важные эксплуатационные характеристики деталей машин как контактная жесткость, прочность прессовых соединений, магнитное, тепловое и электрическое сопротивление стыков, их герметичность и т.д.
В работах, посвящишых изучению особенностей фрикционного контакта, в условиях статического нагружения тел остается ряд нерешенных вопросов, например, связанных с оценкой эффекта взаимного влияния поверхностных неровностей.
Под большими нагрузками в работе подразумевается область контактного взаимодействия, где деформация поверхностей приближается к уровню максимально возможного внедрения, конгакт преимущественно пластический.
Сложность аналитического решения ряда контактных задач ведет к необходимости создания математической модели контактного взаимодействия поверхностей, которая позволила бы количественно оценивать влияние на его свойства различных факторов.
Цель работы. Разработать метод расчета фрикционных характеристик контактного взаимодействия поверхностей при больших нагрузках на основе математической модели построешюй с учетом волнистости и эффекта взаимного влияния контактирующих микронеровностей.
В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ факторов, влияющих на фрикционное контактное
взаимодействие поверхностей в условиях трения покоя, с учетом волнистости
поверхности и взаимного влияния поверхностных микронеровностей и
предложить методику моделирования контакта при высоких давлениях.
2. Разработать методику и провести эксперимент по определению силы
фения, а также сближения, фактической площади контакта как важных
характеристик деформационной составляющей силы треїшя в диапазоне нагрузок, имеющих место в области сближения близкого к максимальному внедрению, т.е. в области больших нагрузок.
3. С целью изучения вклада эффекта взаимного влияния в составляющие
сближения(сближеішя упругого полупространства и шероховатого слоя)
разработать математическую модель и создать методику определения свойств
фрикционного контакта сопряженных поверхностей при высоких давлениях.
f Провести сопоставление математической модели с экспериментом.
4. Для оценки величины деформациошюй составляющей коэффициента
трения покоя на основании разработанной модели исследовать сближение,
фактическую площадь контакта. Проанализировать влияние физико-
механических параметров и нагрузки на контактное взаимодействие
поверхностей и соответствешю коэффициент трения.
5. Используя полученные результаты, предложить методику расчета соединений с натягом на прочность. Провести анализ влияния волнистости и эффекта взаимного влияния на величину расчетного натяга. Научная новизна.
1 .Разработана модель фрикционного контактного взаимодействия в условиях трения покоя, применимая в частности к расчету прочности посадок с натягом, в которой учтены процессы происходящие при взаимном влиянии микронеровностей и влияние волнистости поверхностей, что позволяет более детально и точно описать зависимости коэффициента трения от нагрузки, физических свойств материалов, контактирующих поверхностей и параметров микрогеометрии.
2. Показано, что оценить необходимость учета эффекта взаимного
влияния микронеровностей контактирующих поверхностей позволяет
критерий Q , т.е. при относительном давлении QK<& 0,2 расчеты по
традициошюй методике и предложенной модели сходятся, а при QK> 0,2
начинает проявляться исследуемый эффект.
3. Получено приближенное решение для контакта эллиптической волны с
шероховатой поверхностью на основании решения задачи о контакте
шероховатого эллипсоида и упругого полупространства, что дает возможность
более полно учесть геометрические свойства реальных поверхностей.
4. Проведен анализ влияния микро топографии контактирующих
поверхностей, физико-механических свойств материалов, волнистости,
эффекта взаимного влияния микроперовностей на характеристики контакта.
Показана хорошая сходимость результатов моделирования с
экспериментальными результатами, уточнены некоторые полуэмпирические
характеристики.
5. Предложена уточненная методика расчета трешы покоя для
соединений с натягом. Проведен анализ влияния на величшгу треїшя покоя
волішетости и эффекта взаимного влияния микронеровностей.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на: фундаментальных основах трибологии, использовании математических методов моделирования, планировании и анализе результатов проведенных исследований, применении современных приборов и методик, их метрологического обеспечения. Полученные результаты хорошо согласуются с известными из научной литературы данными, т.е. для разработанной модели выполняется принцип соответствия.
Практическая полезность. На основании проведенных исследований разработана инженерная методика расчета сил трения покоя и прочности соединений деталей собрашіьгх с натягом. Метод позволяет повысить точность определения нагрузочной способности соединений и выявить резервы прочности, которые не учитывают традициошше методы расчета. Предложенная методика позволяет уменьшить металлоемкость деталей и целенаправленно регулировать прочность соединений. Достоверность расчетов по предложенной методике подтверждена экспериментально.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на:
V Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем», Воронеж, 2008;
научно-техническом семинаре «Контактные задачи в трибологии», Тверь, кафедра «Физики», ТГСХА, 2008;
научно-технических семинарах «Механика и физика фрикционного контакта», кафедра «Физики», Тверской государственный технический университет, 2006 - 2008 г.;
научно-техішческих конференциях профессорско-преподавательского состава и заседашмх кафедры «Сопротивления материалов», Тверской государственный технический университет, 2008 г.; объединенном семинаре «Контакт шероховатых, волнистых поверхностей» кафедры «Физики» и «Сопротивлешы материалов», Тверской государственный технический университет, 2008; научно-техническом семинаре «Методы расчета посадок с натягом», Тверской институт вагоностроения, 2008. Публикаївди. Разработашнле методы и основные результаты опубликованы в шести статьях. Результаты диссертации были представлены в двух статьях в журналах, рекомендованных к размещению публикаций Высшей аттестационной комиссией (ВАК).
Структура работы. Диссертациогшая работа состоит из введения, пяти глав, выводов но работе, списка основных обозначений и списка литературы и приложений. Полный объем диссертации вместе с иллюстрациями составляет 135 страниц, включая 32 рисунка и 6 таблиц. Список литературы включает 118 наименований.
