Введение к работе
Актуальность темы.
Надежность, производительность, безопасность, конкурентоспособность машин и приборов во многом определяются ресурсом работы узлов трения. Совершенствование методов расчета ресурса работы является экономически выгодной задачей. В частности, большое внимание уделяется расчету долговечности трущихся сопряжений на транспорте. В связи с развитием производства принципиально новых легковых массивных шин используемых в транспорте, актуальной стала задача оценки их ресурса работы. Причем долговечность шин определяется допустимыми износами, которые могут составлять 10-15% от начального радиуса, а изнашивание является результатом их взаимодействия с дорогой в условиях трения качения.
Впервые проблема трения качения рассмотрена Кулоном. Он провел весьма обстоятельные эксперименты по изучению сопротивления качению. Кулон считал, что главной причиной сопротивления качению являются неровности на обкатываемых поверхностях.
Наличие в области контакта зон проскальзывания впервые было обнаружено О. Рейнольдсом. На эту же причину сопротивлению движению колес по железнодорожным рельсам указывал и Н.П. Петров. Экспериментальные подтверждения того, что относительное проскальзывание поверхностей в области проскальзывания является важным источником сопротивлению качения получено в работах СВ. Пинегина и А.В. Орлова. Основные положения теории О. Рейнольдса были использованы при аналитическом исследовании процесса качения Н.И. Глаголевым, К. Джонсоном, А.Ю. Ишлинским, Ф. Картером, Г. Поритским, Г. Фроммом.
Поскольку абсолютно упругих тел не существует, источником сопротивления перекатыванию являются также гистерезисные потери в телах за счет их деформирования. Этот механизм трения качения развит в работах Л. Морленда, Д. Табора, С. Хантера.
Совместное влияние несовершенной упругости материала и относительного проскальзывания на площадке контакта рассмотрено в работах И.Г. Горячевой, И. Калкера.
В процессе трения качения происходит износ взаимодействующих тел. Установление закономерностей изнашивания от физико-химических и механических свойств развито в работах И.В. Крагельского, Е. Ф. Непомнящего, М.М. Резниковского, СБ. Ратнера, Г. М. Бартенева, В.В. Лаврентьева, М.М. Хрущова, М.А. Бабичева, Дж. Арчерда, Дж. Барвелла.
Общий подход к аналитическому решению задач о локальном контакте упругих тел при изнашивании сформулирован М.В. Коровчинским, который получил дальнейшее развитие в работах В.М. Александрова, Л.А. Галина, И.Г. Горячевой, А.Ю. Качалкина, И.А. Солдатенкова, В.В. Шульца. Численные методы расчета эволюции контактных характеристик взаимодействующих сопряжений в процессе изнашивания развиты в работах В.В. Гриба.
Долговечность сопряжений при их изнашивании в процессе трения качения исследовалось в работах Н.И. Глаголева, Ю.Н. Дроздова, М.В. Коровчинского, А.С Проникова, Э.А.Томило.
В процессе трения качения массивной высокоэластичной шины по жесткому основанию происходит значительное изменение начального радиуса вследствие износа, что приводит к существенному изменению контактных давлений, размера области контакта, протяженности зон проскальзывания. Поэтому разработка точных методов расчета долговечности, учитывающих эволюцию контактных характеристик в процессе износа массивных шин, является весьма актуальным.
Отдельные главы диссертации поддержаны грантами РФФИ (№№ 05-08-18204,07-01-00282).
Цель работы.
Разработка метода расчета долговечности по износу массивных шин на основе математического моделирования и экспериментального определения характеристик трения и изнашивания высокоэластичных материалов. В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:
1. Разработать постановку контактной задачи об изнашивании
высокоэластичных тел в условиях трения качения. Задача должна учитывать
наличие в контакте областей с относительным проскальзыванием
взаимодействующих поверхностей, а также необратимых изменений
геометрических размеров тел, вызванных их износом при качении.
2. Разработать методику и провести эксперимент по определению
коэффициента трения скольжения в диапазоне скоростей, имеющих место в
области проскальзывания поверхностей контактирующих тел. Изучить влияния
коэффициента трения скольжения на размеры области проскальзывания.
3. С целью изучения вклада деформационной составляющей в коэффициент
трения скольжения разработать метод оценки гистерезисных потерь на примере
скольжения единичной неровности по высокоэластичному материалу,
моделируемому телом Кельвина. Разработать экспериментальный метод
определения деформационных потерь при трении скольжения жесткой сферы
по вязкоупругому материалу. Провести сопоставление математической модели
с экспериментом.
4.Разработать испытательный стенд и метод определения параметров закона изнашивания полиуретановой резины, взаимодействующей со стальным образцом.
5. Разработать метод расчета долговечности по износу массивного высокоэластичного колеса при его качении по жесткому основанию. Провести анализ влияния величины относительного проскальзывания, коэффициента трения скольжения и параметров закона износа на ресурс массивных высокоэластичных шин. Показать границы применимости упрощенных методов расчета долговечности, не учитывающих эволюцию контактных характеристик в процессе изнашивания тел.
Методы исследований.
Представленные в диссертации исследования опираются в первую очередь на фундаментальные подходы трибологии и механики контактного
взаимодействия, а также математические теории трения скольжения и качения, развиваемые в работах И.Г. Горячевой, М.Н. Добычина и их учеников. При этом используются методы математического анализа, теории дифференциальных уравнений. При проведении экспериментальных исследований используются методы планирования и анализа экспериментов, стандартизованные методики проведения лабораторных испытаний. Для исследования закономерностей трения, изнашивания и формирования поверхности контакта при качении использовались следующие приборы: пальчиковый трибометр «Т - 10», кольцевой трибометр «UMT - 2», профилометр «S8P», электронные микровесы «Kern - 770», оптический микроскоп «Neophot-2» с цифровой системой «Image Scope Color», электронный сканирующий микроскоп «Philips SEM 505» с системой микроанализа «Genesis 2000 XMS 60 SEM».
Научная новизна.
1. Разработана модель изнашивания высокоэластичного колеса при его качении
по жесткому основанию. Отличительной особенностью модели является учет
изменения контактных давлений, размера площадки контакта и протяженности
подобласти проскальзывания в процессе изнашивания.
2. Впервые поставлена и решена трехмерная задача о скольжении
недеформируемой сферы по вязкоупругому основанию, которое моделируется
телом Кельвина. На основе полученного решения разработан метод оценки
вклада в сопротивление скольжению гистерезисных потерь. Исследовано
влияния механических свойств материала и скорости скольжения на
контактные характеристики: распределение давлений, эксцентриситет, размер
области контакта. Разработан экспериментальный метод оценки вклада
деформационной составляющей в коэффициент трения скольжения при трении
скольжения жесткого сферического индентора по вязкоупругому материалу.
Разработаны стенд и метод экспериментального определения зависимости интенсивности изнашивания тел от давления на контакте в фиксированном диапазоне скоростей. На основании предложенного метода определены значения параметров закона изнашивания полиуретановой резины в паре со сталью.
Предложен теоретико-экспериментальный метод расчета долговечности по износу массивного высокоэластичного колеса при его качении по жесткому основанию. Проведен анализ влияния величины относительного проскальзывания на долговечность массивной высокоэластичной шины. Изучен характер влияния параметров закона износа на эволюцию контактных характеристик и ресурс работы колеса.
Практическая значимость.
На основе разработанного теоретико-экспериментального метода возможен расчет долговечности по износу массивных высокоэластичных шин. Показано, что в случае качения шин со значительными тормозными или приводными моментами, пренебрежение изменением контактных характеристик при
изнашивании в расчетах долговечности приводит к ее заниженной оценке, а в случае малых величин относительного проскальзывания (зона сцепления занимает почти всю область контакта) - к завышенной. Разработанный метод позволяет на стадии проектирования сопряжений осуществить подбор материалов и режимов эксплуатации высокоэластичных шин, обеспечивающих требуемую долговечность.
Разработан экспериментальный стенд для испытания материалов на контактную усталость и износ при качении. Стенд используют для оценки закономерностей изнашивания высокоэластичных материалов, а также колесных и рельсовых сталей, используемых в железнодорожном транспорте.
Разработан метод определения гистерезисных потерь при скольжении жесткой сферы по высокоэластичному материалу. С помощью этого метода возможен подбор вязкоупругих свойств материала с целью изменения его фрикционных характеристик. Одно из применений данному методу - подбор резиновых смесей для увеличения коэффициента трения скольжения при повышении эффективности торможения автомобильных шин в условиях влажной дороги.
Апробация работы.
Разработанные методы и основные результаты опубликованы в трех статьях в журнале, рекомендованном к размещению публикаций Высшей аттестационной комиссией (ВАК). Результаты диссертации были представлены на Международной молодежной научной конференции «XXX Гагаринские чтения» (Москва, 2004); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии-2004» (Москва, 2004); Международной молодежной научной конференции «XXXI Гагаринские чтения» (Москва, 2005); Международной научно-технической конференции «Поликомтриб-2005» (Беларусь, Гомель, 2005); Российской конференции с международным участием «Смешанные задачи механики деформируемого тела» (Саратов, 2005); Международной молодежной научной конференции «XXXII Гагаринские чтения». (Москва, 2006); Международной научной конференции «The International Summer School "Advanced Problems in Mechanics-2006"» (Russia, St. Petersburg, 2006); семинаре имени И.В. Крагельского Института проблем механики РАН «механика фрикционного взаимодействия» (Москва, 2006); совместном семинаре кафедр «Физика» и «СМТУиП» Тверского государственного технического университета (Тверь, 2006); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии-2006» (Москва, 2006); Международной молодежной научной конференции «XXXIII Гагаринские чтения». (Москва, 2007); Международной научной конференции «The International Summer School "Advanced Problems in Mechanics-2007"» (Russia, St. Petersburg, 2007); Международной научно-технической конференции «Поликомтриб-2007» (Беларусь, Гомель, 2007) а также на семинарах лаборатории трибологии ИПМех РАН и семинарах кафедры "Физика" "МАТИ"-РГТУ им К.Э. Циолковского.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка основных обозначений и списка литературы. Полный объем диссертации вместе с иллюстрациями составляет 142 страницы, включая 32 рисунка и 4 таблицы. Список литературы включает 97 наименований.
