Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Самоорганизация в трибологических системах 11
1.1. Термодинамические основы самоорганизации 14
1.2. Самоорганизация в трибологических системах 19
Глава 2. Современное состояние теории и методологии трибологических исследований 38
2.1. Общие проблемы теории и методологии 38
2.2. Постановка проблемы 52
2.3. Уточнение цели работы 54
2.4. Трибологическая система, элементарная зона трения и элементарное трибологическое явление 54
2.5. Элементарные явления трения в природе и искусственных узлах трения 63
2.6. Принципиальная структура модели элементарного трибологического явления 65
2.7. Исследовательский модельный узел трения 72
2.7.1. Элементарная физическая зона трения 72
2.7.2. Величина элементарной зоны трения 76
2.7.3. Максимальная удельная стойкость разделяющей трущиеся поверхности смазочной пленки 77
2.7.4. Трибологические свойства 78
2.8. Модели элементарных трибологических явлений 80
2.9. Моделирование элементарной зоны трения и выделенных элементарных явлений 82
2.9.1. Толщина пленки, разделяющей трущиеся поверхности 82
2.9.2. Длина трущейся поверхности 84
Глава 3. Исследование самоорганизации в гидродинамическом режиме трения 94
3.1. Теоретический анализ 94
3.1.1. Математическое моделирование в трибологических исследованиях 94
3.1.2. Уравнение Больцмана и его модификации 96
3.1.3. Уравнение Больцмана для функции распределения 98
3.1.4. Распределение Максвелла и Н- теорема 100
3.1.5. Уравнение моментов функции распределения 105
3.1.6. Цепочка гидродинамических моделей газа 111
3.1.7. Математические модели трибологических процессов 116
3.1.8. граничные условия уравнения Рейнольдса 121
3.1.9. Упрощенная математическая модель трибологических процессов 124
3.1.10. Двумерная модель уравнения Рейнольдса (бесконечная ширина образцов) 126
3.2. Модель вязко-пластичной смазки 127
3.2.1. Постановка задачи. Уравнения движения и граничные условия. Построение асимптотического решения задачи 127
3.2.2. Неустановившееся движение вязко и вязкопластичнои смазки в подшипнике с учетом зависимости вязкости и предела текучести от температуры 137
3.3. Математическое моделирование процессов, реализованных с помощью машины трения TR-2 141
3.3.1. Основные статические характеристики 141
3.3.2. Схема идентификации переменных коэффициентов 142
3.3. Выводы 150
3.4. Экспериментальное исследование самоорганизации в условиях гидродинамической смазки 151
3.4.1. Аппаратура для исследования трибологических проявлений самоорганизации 151
3.4.2. Методика испытаний 167
3.4.3. Влияние химического состава смазочного материала на проявление самоорганизации при гидродинамическом трении 176
3.4.4. Влияние температуры на проявление самоорганизации 180
3.4.5. Влияние скорости относительного скольжения на самоорганизацию 183
3.4.6. Влияние материалов трущихся тел на самоорганизацию в гидродинамическом режиме 184
3.4.7. Влияние времени на проявление самоорганизации 187
3.5. Обсуждение и выводы из экспериментальных данных 190
Глава 4. Самоорганизация в условиях граничного трения 193
4.1. Кинетический подход при описании эволюции трибосистем в условиях химической модификации поверхности трения 193
4.2. Экспериментальное исследование проявлений самоорганизации в условиях граничного трения 203
4.3. исследование самоорганизации в условиях эффекта Гаркунова 210
4.4. Модель эволюции динамических структур зоны трения 227
Глава 5. Применение прецизионного трибологического эксперимента для решения практически важных трибологических проблем 231
5.1. Сравнительный анализ качества смазочных материалов и возможности определения эффективности присадок 231
5.2. Оптимализация условий применения смазочных материалов с целью реализации самоорганизации 236
5.3. Экспериментальная оптимализация длины трущейся поверхности 237
Глава 6. Обоснование и разработка конструкции беззазорного и безызносного подшипника скольжения 242
Заключение, основные результаты и выводы 244
Литература 247
Приложение 273
- Трибологическая система, элементарная зона трения и элементарное трибологическое явление
- Упрощенная математическая модель трибологических процессов
- Влияние материалов трущихся тел на самоорганизацию в гидродинамическом режиме
- Экспериментальное исследование проявлений самоорганизации в условиях граничного трения
Введение к работе
Трибология и, прежде всего, триботехника в современном периоде развития техники приобретает все большее значение, особенно в высокоразвитых странах. Ежегодно по этой тематике в мировой литературе публикуется около 14000 статей, монографий и других работ [198].
Расходы мировой промышленности на поддержание в рабочем состоянии в процессе эксплуатации машинного парка, в том числе связанные с ремонтом и заменой узлов трения, составляют ежегодно около 540 млрд. долларов США. Цифры, определяющие только прямые экономические потери различных, в том числе и высокоразвитых, стран в результате использования несовершенных конструкций узлов трения и их неумелой эксплуатации, приводящей к снижению надежности и долговечности машин и механизмов, оцениваются миллиардами долларов, марок, рублей и т.д. [37].
Правильная эксплуатация не только уменьшает эти расходы, но и влияет на производительность труда и объемы производства. В развитых странах Азии уже более 80% производств работают в рамках системы эксплуатации машин и механизмов ТРМ (Total Productive Maitengance), которая позволила уменьшить эксплуатационные расходы в 1981-1989 гг. больше, чем на 50%, а, например, фирма Tosiba добилась снижения таких расходов более чем на 80% [120]. Существующие и вновь разрабатываемые системы эксплуатации технических систем, в том числе и упомянутая выше, основываются, в основном, на вытекающих из практики эксплуатации критериях, таких как порядок, пунктуальность, точность, чистота, технологическая дисциплина, но, как правило, не используют или используют не в полной мере научные основы трибологии и триботехники.
Понимание процессов, происходящих в зоне трения, это исходный пункт для конструирования узлов трения, в которых оптимальные параметры трения, надежности и долговечности закладываются на этапе проектирования.
Условием более глубокого понимания процессов трения и использования их в практике современного машиностроения представляется необходимость разработки и внедрения в практический обиход соответствующих методов три-бологических исследований, позволяющих контролировать процесс трения и целенаправленно изучать влияние разных факторов на трибологические эф фекты, с последующим грамотным использованием этих результатов на практике.
Существующая сегодня практика трибологических исследований, в частности методики определения трибологических свойств материалов триботехни-ческого назначения не позволяют, к сожалению, одновременно эффективно решать теоретические и прикладные проблемы, что связано с большим разнообразием испытательных средств и разными требованиями, в том числе и стандартизованными, к методикам проводимых испытаний. Поэтому, получаемые на разных машинах трения или по разным методикам, результаты трибологических исследований всегда или почти всегда не сопоставимы, а не редко дают и прямо противоположные результаты [270].
В такой ситуации важнейшей задачей современной трибологии и триботехники является упорядочение методологии трибологических исследований и испытаний, а любые более или менее удачные попытки в этой области представляются необходимыми и актуальными.
На важность этой проблемы указывалось разными авторами, в частности в монографии В.Лешека [91] отмечается, «...что упорядочение методологии трибологических исследований является важнейшим условием эффективного решения технических задач, стоящих перед трибологией, проблемы, связанные с методологическими основами, должны быть непрерывно в центре внимания трибологов».
Академик Ишлинский, характеризуя в 1998 году состояние теоретической механики отметил, что в этой детально разработанной области современного естествознания остаются «две нерешенные до сих пор проблемы: проблема трения и проблема турбулентности», которые, на наш взгляд являются взаимосвязанными, могут и должны решаться с использованием синергетического подхода, опираясь на принципиальную возможность самоорганизации в неживой природе. Одной из наиболее важных научных проблем для одного из разделов механики - трибологии в XXI веке, по мнению академика Фролова [287], будет «создание базисных самоорганизующихся трибосистем и на их основе решение актуальной технической задачи - кардинальное повышение ресурса трибосопря-жений и машин в целом».
Вместе с тем вопросы теоретического и экспериментального исследования самоорганизации фрикционных систем изучены не достаточно полно, что не по зволяет вести целенаправленный поиск оптимальных условий, обеспечивающих длительное, экономически выгодное, технически и экологически обоснованное функционирование узлов трения современной техники. Анализ литературных данных, посвященных самоорганизации, вообще, и самоорганизации при трении, в частности, показывает, что в настоящее время до конца не раскрыты фундаментальные теоретические особенности самоорганизации при трении, практически не разработаны методические аспекты триболо-гического эксперимента при исследовании самоорганизации, не выявлены критерии, позволяющие однозначно утверждать о наличии самоорганизации в три-босистеме, наконец, нет информации об управляющих параметрах, варьирование которыми позволяло бы реализовать самоорганизацию при трении и целенаправленно управлять трибологическими свойствами узла трения. Учитывая тот факт, что наибольший вклад в изучение самоорганизации при трении внесен российскими и польскими трибологами, на основании работ которых возможно дальнейшее развитие теории и практики, самоорганизующихся трибосистем, можно полагать, что изучение трибологических особенностей самоорганизации при трении, разработка методических и аппаратных средств для проведения такого рода исследований и выявление трибологических критериев перехода трибологических систем в условия самоорганизации являются актуальными.
В целом актуальность темы настоящей работы заключается в необходимости создания комплекса методов, позволяющих получать объективную информацию о состоянии и эволюции трибологической системы в ходе ее эксплуатации и на основании полученных данных управлять ее поведением, с целью обеспечения возможности самоорганизации.
Работа выполнена в рамках договора о научном сотрудничестве между Донским государственным техническим университетом и Радомским техническим университетом от 25.05.94. Основанием для выполнения работы служили программы Польской Академии наук 05.14 "Эксплуатация Государственного имущества" на 1975 -=-1981; Головной программы развития научных исследований 12.2 "Научно-исследовательская аппаратура" на 1982 -г 1990; Гранта Комитета научных исследований ПАН № 7Т08С 030 12 "Исследования существования динамических изменений структур смазочного средства в зоне трения" на 1997 г. по настоящее время и государственные программы Министерства обще го и профессионального образования Российской Федерации «Экспортные технологии и международное сотрудничество на 1996-2000г.г. и «Университеты России» на 1994-1998г.г.
Цель работы. Целью настоящей работы является повышение надежности и долговечности подшипников скольжения за счет обеспечения самоорганизации в узлах трения. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Теоретическое исследование причин и возможности проявления самоорганизации трибологических систем в условиях гидродинамического и граничного трения и разработка на этой основе методов управления процессом трения.
2. Экспериментальное исследование триботехнических и физико-хими-ческих свойств пар трения и смазочных материалов при переходе от гидродинамического режима к граничному трению и задиру для определения областей самоорганизации в реальных узлах трения.
3. Разработка методических и аппаратных средств проведения прецизионного трибологического эксперимента, обеспечивающих управление внешними условиями функционирования трибологической системы, а также регистрацию состояния трибосистемы в реальном масштабе времени, сбор информации о ее свойствах и визуализацию последних в ходе исследования.
4. Выработка рекомендаций по применению конструкционных и смазочных материалов для обеспечения самоорганизации в подшипниках скольжения.
5. Обоснование конструкции беззазорного подшипника скольжения реализую-щего принцип самоорганизации.
Научная новизна и значимость работы.
1. Впервые в широком диапазоне изменения внешних условий обнаружены критические точек, свидетельствующие о самоорганизации при трении. Ус г" --- " тановлено, что количество и положение таких точек зависит как от внешних условий существования трибосистемы, так и от ее внутреннего состава и строения.
2. Теоретически предсказана и экспериментально обнаружена бифуркационная точка, разделяющая область реализации гидродинамического трения на два диапазона с разной зависимостью силы трения от энергетической напряженности узла трения. Показано, что экстремальный характер зависимо сти силы трения с ростом нагрузки обусловлен структурированием жидкой смазочной пленки.
3. Предложены модели химической модификации поверхности контакта основанные на результатах физико-химического исследования трущихся поверхностей. Показано, что в условиях граничного трения и, в особенности при реализации эффекта безызносности существенную роль в механизме возникновения самоорганизации играют химические и электрохимические механизмы упорядочивания структуры фрикционного контакта.
Экспериментально обоснованы новые трибологические понятия - элементарное трибологическое явление и элементарная площадь (длина) фрикци , онного контакта, что позволило разработать методологию проведения три-бологического эксперимента при исследовании самоорганизации фрикционных систем.
5. Разработаны принципы конструирования подшипников скольжения для реализации в них элементарных трибологических явлений на элементарных площадях фрикционного контакта.
Практическая значимость работы и реализация результатов исследования на практике.
1. Предложены и экспериментально обоснованы экспресс-методики исследования триботехнических свойств смазочных материалов в условиях гидродинамического и граничного трения, позволяющие надежно определять области их рационального применения.
2. Разработаны конструкции трибометрических комплексов типа TR-1 и TR-2 для проведения прецизионных трибологических экспериментов, отдельные элементы которых защищены патентами Польши, США, Германии, Франции, и организовано их производство. С применением этих трибометров выполнен ряд работы в рамках государственных программ Республики Польша. Трибометр TR-2 внедрен в учебном процессе Радомского технического университета и используется для проведения научно-технических экспертиз.
3. Оптимизирована геометрия поверхности трения беззазорных и безызносных подшипников скольжения и разработаны их типовые конструкции.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили положительную оценку на: VII Осенней трибологической школе, Ощечаны, Польша, 1978 г.; IX Осенней трибологической школе, Фромборк, Польша, 1979 г.; 16 Ме ждународном симпозиуме по технике смазки, Лейпциг, Германия, 1979 г.; Международной трибологической конференции, Будапешт, Венгрия, 1979 г.; X Осенней трибологической школе, Зелена Гура, Польша, 1980 г.; 4 Международном трибологическом конгрессе, Шотландия, 1980 г.; Международной конференции «Трибо-86», Пловдив, Болгария, 1986 г.; Международной конференции «Триболог- 5М», Рыбинск, СССР, 1989 г.; IXX Осенней трибологической школе, Ченстохова-Кокотек, Польша, 1994 г.; XX Осенней трибологической школе, Спала, Польша, 1995 г.; 1 Международной школе моделирования, Алушта, Украина, 1996 г.; Международном конгрессе по эксплуатации, Крыница, Польша, 1997г.; V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем, Ростов-на-Дону, 1997; Втором всероссийском семинаре «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении», Воронеж, 1999; 2-й научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», Новочеркасск, 1999. В полном объеме материалы диссертации доложены на выездной сессии головного Совета «Машиностроение» Министерства образования России в г. Ростове-на-Дону, 1998.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ на польском, русском, английском, французском и немецком языках, в том числе 9 патентов Польши, США, Франции и Германии.
Личный вклад автора в реализацию исследований представленных в настоящей работе заключается в постановке задачи исследований, разработке методик и аппаратуры для проведения трибологических исследований, проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов.
Трибологическая система, элементарная зона трения и элементарное трибологическое явление
Целью работы, помимо выше указанной, является также экспериментальное исследование самоорганизации при трении, определение границ ее проявления, выделение, исследование и моделирование элементарных явлений, происходящих в зоне фрикционного взаимодействия металлов непосредственно в процессе трения скольжения со смазкой.
Реализация цели работы требует решения разных технических проблем, а, кроме того, точного определения объекта исследований (элементарных явлений, элементарной зоны трения и, кроме того, определения изменчивости коэффициентов), что в целом до сих пор не является очевидным. К важнейшей проблеме, на которую в дальнейшем необходимо обратить особое внимание, относится проблема физического моделирования элементарной зоны трения, в которой могут проявляться выделяемые элементарные явления и процессы.
Б.И.Костецкий [206], определяя трибологическую систему, отмечает „система трения относится к термодинамически открытым системам, обменивающихся энергией и веществом с окружающей средой". Из такого определения трибосистемы для реализации цели работы выделена зона трения, называемая далее трибологической системой. Следуя за Л.И.Бершадским [149], учитывая возможность самоорганизации трибосистем, дадим развернутое определение трибологической системы: «Моделирование трибологической системы, как и любой другой, предполагает идентификацию проблемы ее обобщение и модельную идеализацию. Трибологические системы значительно отличаются от всех других до сих пор рассматриваемых через призму теории систем. Эта разница основывается главным образом на том, что трибологические объекты: - имеют трудную для определения однородность, - реализуют сложные физико-химические процессы, основанные на многих неоднородных самих по себе и до конца не познанных физических явлениях, влияющих друг на друга синергетически или антисинергетически, - подвергаются износу и старению, в процессах, влияющих на сам процесс трения, - работают в широкой области изменения многократных и интенсивных внеш- них воздействий». Указанные характеристики приводят к тому, что трибологические объекты нельзя определенно трактовать как целое. Формальному описанию, а затем и возможности осуществления точного анализа и синтеза подлежат только некоторые, избранные (выделенные) и очень упрощенные аспекты трибологиче-ских систем. Поэтому, стоящий перед этими проблемами исследователь обращается к тому, что Людвиг фон Берталанффи [119], создатель теории систем, назвал „системным мышлением", „системным подходом" и предупреждал об изменении формализации проблем. В связи с этим, теория систем и инженерия систем используют в своем развитии как своего рода методологию и философию, основываясь на решении исследовательских проблем, стараясь при этом применять то, что уже сделано в работах, Адамкевича [1, 2], Лешека и др. [11, 90 -95,123] В польской трибологической литературе понятие „трибологическая система" введено в 1974 году [95]. «Трибологической называется система, состоящая из элементов кинематического узла, образующих пару трения, близкого и дальнего окружения и системы управления». Для решаемой проблемы основным положением является факт, что основная функция трибологической системы - это реализация процесса трения. В любом узле трения можно выделить зону трения, в которой протекает это явление. Трибологическая система существует только тогда, когда реализуется это явление. Управление системой происходит внутри нее за счет строго определенных собственных свойств материалов как своеобразная реакция на внешние воздействия. Поэтому с учетом цели работы можно определить зону трения как три-бологическую систему. К такой системе относится все, что непосредственно принимает участие в процессе трения, а так как границы системы обозначены динамично, то такая система является открытой. Поэтому трибологические свойства материалов проявляются только при их взаимодействии в процессе трения. Уточнение этой проблемы основывается на том, что исследуемые материалы, а также их свойства в условиях физического взаимодействия - это материальные свойства трибологической системы. Из определенного понятия трибологической системы вытекает известное в современной литературе понятие „третье тело". Определение этого понятия принадлежит Крагельскому [246], который выделил в третьем теле, образующемся в зоне контакта металлов, следующие пленки: 1. граничный слой смазки; 2. пленки окислов металла или его других химических соединений, например, сульфидов, хлоридов, фосфидов и т.д.; 3. пленку разрыхленного материала. Проблемами третьего тела занимались многие исследователи, например [11, 16, 92, 116, 141, 145, 146, 225]. Анализ показывает, что это понятие относится к статичному описанию материалов с их особенностями, возникающими главным образом в процессе трения или в технологических процессах. Это понятие развил Б.И.Костецкий и с небольшими модификациями представил Садовский [116], который определил понятие „зона трения" как «...термодинамическую систему, состоящую из поверхностных слоев трущихся тел и образующихся между ними веществ, в которых непосредственно происходит трансформация механической энергии, соответствующей работе силы трения в другие формы энергетических взаимодействий - главным образом в тепло диссипации. Говоря о зоне трения, необходимо иметь в виду не только материальный объект, но и протекающий в нем процесс».
Определенная так зона трения соответствует описанию с точки зрения теории систем и дает возможность для динамического описания системы, что делает понятие зоны трения отличным от предшествующего статичного описания так называемого „третьего тела".
Учитывая, что процессы трения проявляются в разных узлах трения, которые создаются из разных материалов, для разных нагрузок и условий работы в тысячах различных механизмов будем считать, что упрощением этой сложной проблемы является выделение в узлах трения зоны трения, существующей в каждом узле трения и рассматриваемой как трибологическая система.
Выделяя, таким образом, зону трения, можно уже опустить некоторые конструкционные параметры узлов трения и обобщить проблему через, например, определение диапазонов основных, влияющих на трение факторов (P,V,T), наиболее характерных для разных узлов, таких как скорость скольжения (в популярных узлах находящаяся в пределах от 0,01 до 15 м/с"1), удельные нагрузки от 0 до 5 Гпа и температуры от -60 до +300С. Конечно, в исследовательских целях можно выделять и поддиапазоны. Необходимо обратить внимание, однако, что зона трения обладает конструкторско-технологическими параметрами, характеризующими только эту зону.
Упрощая модель, мы стремимся к возможности исследования элементарных явлений, а, следовательно, в элементарной зоне трения необходимо освободиться от влияния конструкторско-технологических параметров зоны трения. Разлагая проблему, с целью познания фундаментальных элементарных явлений и выделенных процессов, необходимо постоянно принимать во внимание требование возврата к реальным узлам.
Упрощенная математическая модель трибологических процессов
В связи с этим возникает вопрос: является ли контакт микронеровностей основой и сутью элементарного контакта? На этот вопрос необходимо ответить отрицательно.
Удивительным кажется также, например, тот факт, что в расчетах гидродинамических подшипников учитывается шероховатость поверхности и упускаются из виду ее волнистость, погрешности формы и погрешности монтажа.
Из вышеизложенных доводов можно сделать вывод, что описываемая в литературе [98, 99, 116] неравномерность расположения мест фактического контакта в реальных контактах поверхности трущихся тел связана не только с микронеровностями но и с макронеровностью поверхности, а повышенная концентрация контактов микронеровностей в отдельных местах определяется, прежде всего, ошибками формы и наложением на них ошибок монтажа.
В связи с этим во время работы гидродинамического подшипника над теоретически заложенной в конструкции поверхностью возвышаются микронеровности, в местах небольших возвышений, причиной чему является макрогеометрия (макронеровности). Микронеровности двух поверхностей контактируют между собой, прежде всего в этих местах и именно с этих мест начинается износа подшипника. Контакт микронеровностей и повышение удельных нагрузок в этих местах контакта приводит к дополнительному повышению трения, что равнозначно дополнительному повышению температуры и дополнительному увеличению высоты микронеровностей вследствие теплового расширения в этих местах. Кроме того, так как фактическая площадь поверхность контакта может составлять от одной 0.1 до 1.0% от геометрической площади контакта [98, 99], то в местах наибольшей нагруженности подшипника износ начинается раньше, чем выступы уменьшатся настолько, насколько уменьшится трение, что вызывает проваливание этих мест и еще большее отличие макрогеометрии от идеальной. Износ переходит на соседние дефекты формы, повторяя с разной интенсивностью описанную выше ситуацию.
Такая модель изнашивания объясняет, например, возникновение равновесной шероховатости [98, 123] для данного конкретного узла трения, формирующейся в узле трения независимо от большой или малой исходной шероховатости в процессе приработки [98,106, 117]. Вышеприведенный пример позволяет сделать вывод о том, что наибольшей трудностью в поисках однородного процесса трения на всей поверхности контакта, например, в гидродинамических узлах трения являются неточности формы и погрешности монтажа.
Так как на основании опубликованных литературных данных и доступных нам результатов научно-исследовательских работ нет возможности сделать обоснованный выводы о влиянии волнистости поверхности на существование однородного явления, решено выделить такую поверхность, которая гарантировала бы исключение влияния погрешностей формы и монтажа исследовательского узла трения и обеспечила бы контакт только микронеровностей. Для этого поверхность контакта должна быть настолько мала, чтобы она контактировала микронеровностями, а практически неизбежная волнистость при этом должна обеспечивать такое же скольжение образцов друг по другу, какое обеспечивается, например, при скольжении лыжи по волнистой лыжне. Представляется очевидным, что в таком случае ошибки формы не играют существенной роли.
Для определения площади такой поверхности воспользуемся указанием Шульца [116, 117], который предложил принимать за критерий разделения микро- и макро- геометрии поверхности величину поля, занимаемого одной неровностью: „Если поле неровности больше, чем 1 мм2 , то неровность считается волнистостью и, наоборот, в противном случае относится к шероховатости". Последнее требует шероховатости поверхности контакта и технологии ее изготовления, обеспечивающих Ra поверхности контакта не выше чем Ra=3jxm. В настоящей работе принято Ra=0,6am, что с запасом обеспечивает это условие.
В связи с вышеизложенным в работе принята величина исследуемой поверхности 1мм2 и Ra=0,6nm.
Возникает вопрос, является ли принятая поверхность элементарной? Очевидно, что нет, но она уже позволяет проводить исследование однородных явлений с учетом только микронеровностей. Это переходной шаг к описанию элементарной поверхности и элементарных явлений, который позволяет пройти определенный этап сравнительных испытаний трибологических материалов с точки зрения их трибологических свойств и, в частности, выявления сути и механизмов элементарных явлений.
Следующими требующими определения проблемами являются размер элементарной поверхности трения, в которой элементарное явление может развиваться оптимально. Наконец необходимо объяснить, что значит оптимальное трибологическое явление. С точки зрения трибологической практики наибольший интерес представляют те процессы, которые минимизируют трение и износ. Предположим, хотя это не всегда так, что минимизация трения и износа реализуется тогда, когда трущиеся поверхности разделены тонкой непрерывной пленкой смазки. Возникает естественный вопрос, как и каким способом, обеспечить такие условия. Примем, что параметром, характеризующим качество пленки, является ее максимальная несущая способность. Такой параметр можно считать критерием оценки качества пленки, а значит и параметром происходящих в элементарной зоне трения явлений. Выше изложенное приводит к следующим выводам: 1. величина элементарной поверхности зависит от условий {Р,У,Т), характеризующих фрикционное взаимодействие конкретной комбинации материалов, 2. Толщина смазочной пленки меняется в процессе трения и также зависит от РУ,Т, особенно от Р, при котором наблюдается прорыв пленки, в связи с чем толщина не может быть параметром оценки качества этой пленки, хотя бы потому, что ее изменчивость в широком интервале условий, проявляющихся в зоне трения, не позволяет идентифицировать оптимальную толщину, поэтому достаточным критерием качества является сохранение ее сплошности.
Влияние материалов трущихся тел на самоорганизацию в гидродинамическом режиме
Признавая необходимость исследования трибологических явлений и процессов независимо от реальных узлов трения или их моделей, было учтено то обстоятельство, что реальные узлы трения работают, как правило, при удельных нагрузках до 10 ГПа, скоростях относительного скольжения в зоне трения до 30 мс"1 при температурах от - 60 до + 300 С. Область внешних условий работы узлов трения столь широка (вспомним еще и специальные узлы трения), что реализовать ее в обычном исследовательском аппарате чрезвычайно трудно, поэтому приходится накладывать искусственные ограничения на параметры внешних возмущений. В реализованном трибометре эти ограничения сведены к нагрузкам до 300 МПа, скорости относительного скольжения от 0.1 до 6.0 мс "1 и термостатируемой масляной ванне от 20 до 80 С.
Приступая к созданию трибометра, учитывалось также то обстоятельство, что все явления и процессы, происходящие в зоне трения, имеют свой отклик в силе трения (другая проблема возможность их идентификации и связь с силой трения).
На основе этих основных предположений был сконструирован и изготовлен трибометр TR-2, основные идеи которого защищены патентами Польши [61], США [57], Германии [50] и Франции [56].
Схема трибометра TR-2 представленна на рис. 3.4.1 - 3.4.2. Трибометр сконструирован таким образом, чтобы обеспечить измерение силы трения с максимальной точностью. Это достигается подвесом плавно регулируемого двигателя (1) на тензометрической балочке (10) и использованием простого правила действия и противодействия. На валу двигателя (1) смонтирован вращающийся образец (2), к которому прижимаются два контробразца (3). Возникающая сила трения измеряется в виде реакции крепления двигателя на тензобалку (10). Нагрузка на контробразцы передается через динамометр (19) шаговым двигателем (13) червячной передачей (17). Поскольку динамометр является подвешенным, т.е. система разгруженной, то это не вносит никаких дополнительных сил в измеряемую силу трения. Рабочая камера (15) выполнена с двойными стенками для обеспечения контроля и регулирования температуры с помощью ультратермостата (7). В камере расположен датчик температуры (8), который можно рассматривать как элемент обратной связи - с его помощью можно стабилизировать температуру трибосистемы, подавая сигнал на регулятор ультратермостата. Кроме того, в одном из контробразцов (3) расположен другой датчик температуры, который позволяет регистрировать изменение средней температуры на поверхности трения (эту характеристику мы рассматриваем только как качественную). Направляющие контробразцов электрически изолированы от рабочей камеры, что дает возможность подключения к контробразцам датчиков для проведения электрических измерений, таких как, резистанция, емкость и импеданс. Конструкция трибометра обеспечивает также возможность исследования влияния электрического тока на процесс трения или управление процессом трения за счет подводимого из вне электрического тока.
К держателям контробразцов подведены датчики малых перемещений (5,20) позволяющие измерять толщину смазочной пленки либо износ образцов. Датчики малых перемещений дублированы - одни являются индуктивными (5), а другие тензометрическими (20). Отметим, что измерение толщины пленки с точностью порядка 1 мкм является очень сложной и к тому же недостаточно достоверной технической задачей, поэтому в трибометре использованы разные измерительные методики для обеспечения возможности взаимных поправок.
Наконец, в трибометре обеспечена возможность подвода к держателям образцов вибраторов (6) и датчиков вибрации (12).
Создавая модельный узел трения, принято во внимание предположение о том, что элементарное трибологическое явление реализуется в том случае, если между трущимися поверхностями существует непрерывная пленка жидкости, толщина которой в разных местах контакта имеет приблизительно один и тот же порядок, поскольку в противном случае (при существенно разных толщинах пленки по поверхности контакта) следует говорить о смешанных режимах трения, в которых трудно выделить элементарное трибологическое явление.
Учитывая вышесказанное понятно, что наибольшее влияние на неравномерность толщины пленки имеет макрогеометрия поверхности: волнистость (наибольшее влияние), ошибки формы и в реальных узлах -ошибки монтажа. Во избежание проблем с нарушениями формы связанными с макрогеометрией поверхности контробразцы выполнены значительно меньших размеров, чем расстояние между макроотклонениями формы. Кроме того, контробразцы эластично прижимаются и ведут себя как лыжа на неровной поверхности. Для сравнительных испытаний и исследования трибологических явлений принята геометрия контакта 1x1 мм. Для изучения влияния площади контакта на параметры трения и, главное, на влияние длины контакта на параметры гидродинамического трения использовались контробразцы с площадями 0.5x1 мм, 1x1 мм, 1x1.5 мм, 1x2 мм, 1x2.5 мм и т.д.
Такая конструкция модельного узла трения позволяет наблюдать явления, имеющие однородный характер: гидродинамическое трение и граничное трение I рода. Для исследования граничного трения II рода и противозадирных свойств смазочных материалов необходима другая конструкция узла трения.
Измерение силы трения производится следующим образом. Диск 2 является образцом и крепится прямо к валу крутящегося двигателя 1. Двигатель укреплен на тензобалке и весит на ней. Силы трения, которые возникают на диске (образце) переносятся электромагнитным сцеплением на торце двигателя, а через него на тензобалку. Использовано правило действия и противодействия (принцип Ле Шателье - Брауна) рис. 3.4.2 и таким образом не имеем никаких потерь от подшипников двигателя и никаких возбуждений, возникающих при магнитно-температурных режимах работы двигателя. Блок схема является чувствительной и регистрирует изменения вязкости испытуемого масла. Высокую чувствительность трибометра необходимо учитывать в методике проведения эксперимента, перед началом которого трибометр определенное время работает без нагрузки (стабилизируется) - это регистрируется как «нуль» уровень рис. 3.4.4. и от этого момента начинаем фиксировать даже маленькие нагрузки, иллюстрирует это и малые коэффициенты трения, начиная от тысячных доли р - иллюстрирует это рис. 3.4.3.
Экспериментальное исследование проявлений самоорганизации в условиях граничного трения
В условиях гидродинамического трения скорость скольжения является существенным фактором, определяющим несущую способность гидродинамического клина. В связи с этим следует ожидать влияние скорости относительного скольжения на упорядочивание структуры жидкости и возникновение динамических структур в поддерживающем слое.
Логично предположить, что увеличение скорости может приводить к уменьшению времени требуемого для перестройки структуры жидкости при переходе к самоорганизации. При этом необходимо помнить, что скорость перестройки структуры жидкости значительно выше, чем скорости связанные с движением жидкости в зазоре - дискуссия по этому поводу имется в работе Крагельского.
Поэтому скорость скольжения можно рассматривать как дополнительное энергетическое воздействие на трибосистему меняющее ее энергетическое состояние. И в этом смысле рост скорости приводит к дополнительному энергетическому напору на трибосистему, аналогичному действию давления и температуры. Итак, увеличение скорости относительного скольжения с одной стороны должно способствовать и облегчать структурирование жидкости за счет движения, а с другой стороны должно приводить к деструктуризации жидкости за счет дополнительного энергетического напора. Результаты эксперимента подтверждают эту точку зрения (рис. 3.4.23). Видно, что при увеличении скорости расширяется диапазон нагрузок, при которых проявляется самоорганизация, но и сила трения при этом также растет. Наконец существует предел скорости, выше которого самоорганизация уже не проявляется. Таким образом, влияние скорости относительного скольжения на проявление самоорганизации в условиях гидродинамического трения носит двойственный характер: с одной стороны увеличение скорости благоприятствует самоорганизации, с другой препятствует. Именно это обстоятельство позволяет предполагать, что динамическая структура жидкости в поддерживающем слое весьма чувствительна к внешним условиям существования трибосистемы. Из вышеприведенных экспериментальных данных (3.4.3 - 3.4.5.) следует, что внешние возмущения трибосистемы: давление, температура и скорость скольжения (P.V.T), а также химический состав смазки влияют на проявление самоорганизации при гидродинамическом трении. Следующий вопрос, который необходимо выяснить - это вопрос о влиянии природы трущихся поверхностей на обнаруженный эффект са моорганизации в гидродинамическом слое.
На рис. 3.4.25 представлены данные зависимости силы трения от нагрузки для разных сочетаний трущихся тел. Анализ приведенных результатов показывает, что природа трущихся тел практически не сказывается на возможность проявления самоорганизации в исследуемых трибосистемах. Разница в экспериментальных данных фактически лежит в пределах экспериментальных ошибок. Этот экспериментальный факт на наш взгляд связан с тем, что параметры гидродинамического трения по определению [44,90] не зависят от природы трущихся поверхностей. Следовательно, все процессы, приводящие к самоорганизации в условиях гидродинамического трения, происходят в смазочном слое, а не на поверхности и связаны только со структуризацией жидкости под действием движения.
Небольшие отклонения от этого правила в случае бронзы обусловлены скорее всего ее лучшей теплопроводностью по сравнению с другими исследованными материалами.
Не всякий фазовый переход можно трактовать как проявление самоорганизации. Самоорганизация должна проявляться в динамических структурах, приводить к упорядочиванию таких структур и иметь спонтанный характер. Гленсдорф и Пригожий выделяют также структуры динамические и временные.
В наших исследованиях можно выделить временные структуры, так как смазочный материал входящий в зону трения подвергается очень быстрым переменам: структуризации под давлением, разупорядочиванием этих структур движением контактирующих поверхностей и последующее упорядочивание их движением потока. Смазочный материал выходящий из зоны трения в конце концов возвращается к структуре входящего смазочного материала. Еще раз сошлемся на Костецкого, который утверждает, что скорость процессов в зоне трения возрастает примерно на шесть порядков.
Самоорганизация как процесс упорядочивания структуры должна приводить в соответствии с законами термодинамики к выделению энергии, а для разрушения таких структур нужна дополнительная энергия. Поскольку в таких условиях очень трудно измерить термические эффекты, спланирован эксперимент, в котором можно наблюдать обсуждаемые выше эффекты. На рис. 3.4.25 представлен эксперимент, в котором проявляются эффекты самоорганизации. Видно, что по достижению самоорганизации прекращено изменение управляющего параметра, в данном случае нагрузки Р, и дальнейшая работа трибосистемы продолжается при неизменных параметрах P,V,T. Видно, что время почти не влияет в таких условиях на параметры трения (сила трения не меняется). После двух часов работы в условиях самоорганизации начинаем уменьшать нагрузку. Видно, что при уменьшении нагрузки сила трения сначала увеличивается, а затем падает, но не повторяет той же траектории, что и при росте нагрузки. Возникает гистерезисная петля (рис. 3.4.26). Очевидно, что наблюдаемый в эксперименте гистерезис является одним из важнейших доводов в пользу упорядочения структуры смазочного слоя при трении. Эта структура в определенной области условий является автономной и не переходит в исходную в одной точке.
Похожие диссертации на Трибологическая идентификация самоорганизации при трении со смазкой
