Введение к работе
Актуальность работы. В условиях рыночной экономики основным фактором развития приборостроения для исследования недр земной коры и мантии является конкурентоспособность выпускаемой продукции. Важным при этом ставится вопрос о надежности и долговечности приборов и механизмов, эксплуатируемых в тяжелых условиях. В данном случае под тяжелыми условиями подразумевается статические и динамические нагрузки, воздействие высокого гидростатического давления (ВГД), температуры, агрессивной среды, наличие абразивных включений.
Большинство приборов для исследования нефтяных и газовых скважин работает в тяжелых условиях, подвергаясь статическим и динамическим нагрузкам, воздействию высокой температуры (до 200С), гидростатического давления (до 140МПа и выше), интенсивному изнашиванию часто в сочетании с коррозией. Комплексное воздействие различных факторов приводит к тому, что сроки службы основных деталей приборов и механизмов снижаются.
В близких условиях работают механизмы химических аппаратов высокого давления для получения новых материалов.
В технической океанологии имеется область, связанная с устройствами и механизмами, которые выполняют различные виды работ в условиях глубоководного внешнего давления. К этой области относятся проекты с разработкой полезных ископаемых на дне океана, с использованием подводных аппаратов и роботов различного назначения, в том числе при аварийно- спасательных и экологических работах.
Для разнообразных пар трения, работающих в обычных условиях, достаточно подробно изучены процессы трения и изнашивания, имеются инженерные расчеты с учетом параметров в той или иной мере влияющих на процессы трения. Однако, особенности работы геофизического, глубоководного оборудования и химической аппаратуры вызывают необходимость изучения трибологических характеристик в условиях высокого гидростатического давления и повышенной температуры.
В решении этой проблемы одна из основных задач заключается в исследовании факторов, определяющих трение при высоком гидростатическом давлении, выявление закономерностей, характеризующих процесс трения, и построение на этой основе модели фрикционного взаимодействия.
Известные трибологические сведения при указанных условиях скудны и неполны, их зачастую трудно использовать при проектировании силовой техники и прогнозировании работоспособности существующих узлов.
Цель работы. Экспериментальное исследование процессов фрикционного взаимодействия, происходящих при действии гидростатического давления в различных жидкостях, создание на этой основе инженерной методики расчета коэффициента трения контактирующих поверхностей при высоком гидростатическом давлении.
Задачи работы.
1. Разработать экспериментальное и методическое обеспечение для проведения исследований зависимостей составляющих коэффициента трения от гидростатического давления (ГД).
2. Изучить влияние гидростатического давления на деформационную составляющую коэффициента трения.
3. Установить влияние ГД на адгезионные характеристики фрикционных пар, применяемых в геофизических приборах.
4. Разработать инженерную методику расчета коэффициента трения с учетом влияния повышенных гидростатических давлений.
Научная новизна.
1. Экспериментально подтверждено, что для расчета сил трения в условиях высокого гидростатического давления следует учитывать изменение адгезионных параметров фрикционного контакта, механических свойств материалов, а так же возрастающих контактных давлений.
2. Разработана и проверена на практике методика определения удельной силы трения фрикционных пар геофизической аппаратуры при действии гидростатического давления до 140 МПа.
3. Изучена зависимость удельной силы трения от фактического давления для ряда пар трения, применяемых в геофизических приборах в условиях ГД. Установлено, что при возрастании гидростатического давления:
а) для металлов адгезионная составляющая коэффициента трения снижается до 2 и более раз в различных жидкостях. Уменьшение происходит за счет фрикционного параметра 0. Параметр изменяется слабо для металлических материалов, а для полиамида ПА-6 существенно. Предположительно, это связано с изменением свойств граничного смазочного слоя из-за влияния гидростатического давления на адсорбционные процессы.
б) деформационная составляющая коэффициента трения при пластическом контакте нелинейно растет на 10-25% от дополнительной нагрузки, возникающей от действия ГД на фактическую площадь контакта. Влияние ГД тем меньше, чем выше модуль упругости и твердость материала.
4. Для расчета деформационной составляющей коэффициента трения предложена и экспериментально подтверждена для некоторых материалов формула изменения твердости от гидростатического давления.
5. Разработана методика расчета коэффициента трения, учитывающая установленные в работе закономерности влияния ГД на фрикционное взаимодействие.
Практическая полезность.
1. Сконструирована, изготовлена и проверена на практике установка УСГ-2008, позволяющая определять удельную силу трения и фрикционные параметры материалов на модели шероховатой поверхности, при действии гидростатического давления до 140 МПа и температуры до 200 С. Установка необходима для изучения свойств новых конструкционных материалов в данных условиях.
2. На основании проведенных исследований разработана инженерная методика расчета адгезионной составляющей коэффициента трения, учитывающая влияние гидростатического давления. Достоверность расчетов по предложенной методике подтверждена экспериментально.
3. Экспериментально определены фрикционные характеристики материалов, из которых изготавливаются узлы трения геофизической аппаратуры, при работе в водной и в масляной среде под действием гидростатического давления.
4. На основании выполненных исследований разработана новая методика определения фактической площади контакта реальных поверхностей, которая может использоваться как для расчета сил трения, так и для расчета герметичности стыков, жесткости контакта и т.д. Новизна методики подтверждена патентом на изобретение №2397442.
5. Результаты исследований нашли применение в ООО «Нефтегазгеофизика» при расчете различных узлов трения геофизических приборов 4СКП, СГП-76 и ЛПТГГК-1Т-К.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены, обсуждены и одобрены:
- на научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», Брянск, 2008 г.;
- на семинаре профессорско-преподавательского состава кафедры «Физики» Тверского государственного технического университета, 2010 г.;
- в ведущей организации ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения»;
- на научно-техническом совете ООО «Нефтегазгеофизика»;
- на VI международной научно-практической конференции «Наука в информационном пространстве», Москва, 2010г.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в восьми статьях, в том числе в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Полный объем диссертации вместе с иллюстрациями составляет 154 страницы, включая 45 рисунков и 20 таблиц. Список литературы содержит 90 наименований.
Похожие диссертации на Трение при контактном взаимодействии поверхностей в условиях гидростатического давления
