Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы. цель и задачи исследова ния. современные представления о трении и контактных процессах в трибосопряжениях 23
1.1. Квазистатическая теория трения 23
1.2. Трение при наличии граничного слоя смазочного материала 30
1.3. Динамические характеристики трения 34
1.4. Процесс контактного взаимодействия при трении как сложная система 43
1.5. Способы влияния на процессы трения и износа, основанные на учете явлений структурной приспосабливаемости и совместимости контактирующих поверхностей трибосопряжений 48
1.6. Методы динамического моделирования контаткных взаимодействий в элементах трибосопоряжений технологических систем при механической лезвийной обработке 52
1.7. Параметры качества поверхностного слоя деталей трибо-сопряжения при нормальном трении 61
1.8. Цель и задачи исследования 65
2. Разработка моделей контактного взаимодействия при трении для решения задачи рационального проектирования трибосопряжений 67
2.1. Управление и оптимизация параметров процессов, происходящих в трибосистеме. Способы их осуществления 72
2.2. Общий подход при составлении схемы для определения основных эксплуатационных параметров качества трибосистемы с целью повышения ее эффективности 80
2.3. Основные моменты деформирования и разрушения металлов в процессе трения при резании 92
2.4. Физические основы моделирования стружкообразования в процессе разрушения единичным микровыступом 97
2.5. Реологическое представление контактных взаимодействий поверхностей при отсутствии смазочного материала в зоне трения 102
2.6. Реологическое представление контактных взаимодействий поверхностей при наличие активных сред в зоне трения 112
2.7. Результаты и выводы по главе 117
3. Моделирование контактных взаимодействий в процессе трения в системах малой размерности на основе нелинейного подхода 119
3.1. Математическая модель трибосопряжения 119
3.2. Моделирование условий фазовых переходов в процессе разрушения триботехнических материалов микрорезанием при трении 121
3.3. Определение основных характеристик, описывающих условия контактного взаимодействия в процессе трения и разрушения триботехнических материалов при сухом трении 127
3.4. Определение характеристик, описывающих основные реологические и теплофизические характеристики активных смазочных сред 153
3.5. Применение основных положений теории чувствителыюсти для решения задач управления трибосопряжениями 163
3.6. Результаты и выводы по главе 168
4. Управление процессами, протекающими в три босопряжении, посредством применения активных антифрикционных препаратов 170
4.1. Основные эксплуатационные требования, предъявляемые к антифрикционным препаратам 170
4.2. Основные характеристики присадок и антифрикционных препаратов, входящих в состав СМ трибосопряжений двигателей внутреннего сгорания (ДВС) 174
4.3. Применение геомодификаторов трения на основе серпентинитов для решения триботехнических задач 186
4.4. Применение наномодификаторов карбонной группы (фуллеро-идных наномодификаторов) для решения триботехнических задач
4.4.1 Общее состояние проблемы получения и использования фулле-роидных наномодификаторов 195
4.4.2 Применение теории фракталов при решении триботехнических задач с использованием фуллероидных наномодификаторов 202
4.4.3 Механизм работы углеродных фуллероидных наномодификаторов в трибосопряжениях 2 4.5 Триботехнические испытания смазочных материалов, содержащих антифрикционные препараты, на машинах трения 211
4.6 Исследование влияния антифрикционных препаратов в пластичных смазках на изменение основных параметров трения, микротвердости и реологических свойств смазок 218
4.7 Исследования структурных изменений поверхностных слоев стальных образцов под действием антифрикционных препаратов 233
4.8 Результаты и выводы по главе 238
Реализация задач контактного взаимодеист вия и состояния показателей качества по верхностей при трении скольжения 240
Обобщенная модель качества состояния контактирующей по верхностей деталей пар трения 240
Экспериментальное обоснование разработанных методов и средств триботехнических испытаний и контроля показателей качества 246
1. Триботехнические стенды для натурного моделирования контактного взаимодействия в процессе трения 246
2. Измерительно-вычислительные комплексы контроля показателей качества поверхностного слоя деталей пар трения 250
3. Динамические стенды для натурного моделирования контактных взаимодействий в процессе трения 257
4 ИВК ПИРСП для изучения реологических свойств полимеров, жидких и пластичных смазочных материалов 260
Применение активных препаратов для создания СОТС и материалов, обладающих новыми триботехническими свойствами... 263
1. Испытания масляных СОТС, содержащих наномодификаторы карбонной группы 264
2. Натурные испытания геомодификаторов трения к жидким смазочным материалам на токарно-винторезном станке 269
Результаты и выводы по главе 278
Общие результаты и выводы 280
Литература
- Трение при наличии граничного слоя смазочного материала
- Общий подход при составлении схемы для определения основных эксплуатационных параметров качества трибосистемы с целью повышения ее эффективности
- Определение основных характеристик, описывающих условия контактного взаимодействия в процессе трения и разрушения триботехнических материалов при сухом трении
- Основные характеристики присадок и антифрикционных препаратов, входящих в состав СМ трибосопряжений двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основная направленность разрабатываемой в диссеріации проблемы заключается в необходимости обеспечении требуемой надежности трибосопряже-ний энергетических и транспортных машин в течении межремонтного срока их эксплуатации, а также усюйчивости процесса механической обработки заготовок из разных конструкционных материалов с заданной производительностью, требуемым качеством обработанных поверхностей и гарантированным периодом стойкости режущего инс грумента.
Анализ результатов современных исследований, связанных с построением моделей процессов трения при эксплуатации механизма в режимах трения с отсутствием смазочного материала в зоне трения, ограниченным количеством смазочного материала в виде пленок, а также при механической обрабоїке материалов, не позволяют с достаточной полнотой отобразить указанные процессы трения. Основным недостатком существующих моделей, описывающих процессы трения, является рассмотрение процесса с позиции квазистатической теории Поэтому применение комплексного динамического подхода позволит существенно расширить возможности технических расчетов и в сочетании с эмпирически полученными коэффициентами на основе стендовых и натурных испытаний, с использованием вычислительных средств создать информативные работоспособные модели процесса трения.
Проблема осуществления управляемого трения и износа элементов трибосопряжений машин и технологических систем в настоящее время решается различными способами созданием специальных конструкционных материалов; модификацией поверхностного слоя; изменением характеристик смазочной среды посрсдствам добавления антифрикционных препаратов и ПАВ, применением специальных инженерных решений и пр Однако применением каждого из указанных способов решаются, как правило, частные задачи. Необходимо разработать комплексный подход, охватывающий все этапы, начиная с проектирования, изготовления и эксплуатации узла трения, с учетом его работоспособности, надежности и ресурса.
Целью диссертационной работы. Основной целью исследований является повышение эффективности работы трибосопряжений за счет создание комплекса динамических моделей в качестве основы для расчета и управлепия параметрами процессов трения и износа, определяющих работоспособность трибосопряжения, посредством учета активных сред на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации элементов узла трения
Достижение поставленной цели обеспечено решением следующих частных задач.
обоснование и выбор критериев, определяющих динамические характеристики трибосопряжения при наличии активных сред;
построения математических моделей трибосопряжений в качестве основы для решения задачи оптимизации динамичаоких параметров-качества;
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С Петербург 4
о» тою****' I
1 л
формирование алгоришов и законов управления процессами в трибосопряжениях, обеспечивающих достижение требуемых параметров качества технологических систем и трибосопряжений;
разработки системы комплексной диагностики эксплуатационных парамеїров качества поверхностного слоя элементов трибосопряжений машин и технологических систем при условии влияния активных сред
Методы исследований. В работе использованы основные положения динамики трибосопряжений и технологических систем для различных видов трения, основные положения теории трения и изнашивания коне грукционных материалов, принципы прикладной механики, методы теории автоматического управления, методы системного анализа, оптимизации динамических параметров трибосистем, развитые в задачи мониторинга и диагностики Три-босопряжения, состоящие из взаимодействующих элементов энергетических, транспортных и технологических машин при наличии активных сред рассматриваются как сложная система, требующая для своего исследования и выработки рекомендаций на базе системного подхода В основе исследования полагается оценка динамических явлений, с анализом степени их влияния на эксплуатационные характеристики. Методы исследования, оценивающие влияние динамических параметров на показатели качества работы трибосопряжения, оптимизация динамических параметров связаны с задачей математического моделирования трибосопряжения.
Научная новніна. Научная новизна результатов исследований заключается в следующем
предложена и обоснована единая концепция обеспечения работоспособности трибосопряжений как научно-техническая проблема, решаемая в ходе оптимизации динамических параметров трибосистем и диагносіики технического состояния; исследован и описан механизм оценки влияния параметров ірибосистем на показатели динамического качества на основе применения метода структурирования; разработан обобщенный векторный критерий качества состояния поверхностного слоя деталей трибосопряжения, отображающий с доступной полнотой совокупность требований' по точности размеров и формы деталей трибосопряжения. по достигнутой шероховатости на основе параметрических оценок, по уровню основных параметров напряженно - деформированного слоя с учетом іехнологической и эксплуатационной наследственности;
предложены методы управления параметрами процесса трения и износа трибосистем на основе диагност ики параметров качества и точности, - предложен системный подход и эффективный метод исследования динамических характеристик станков с напрявляюшими скольжения в переходных режимах, что
позволило определить влияние активных антифрикционных модификаторов к жидким смазочным материалам на показатели динамического качества, разработан новый экспресс-метод определения физико-механических характеристик поверхностного слоя деталей трибосопряжений на основе измерения микротвердости, используемый при построении динамических моделей процесса трения и изнашивания,
разработаны методы комплексной оценки свойств поверхностного слоя пар трения, основанные на использовании специальной аппаратуры и новых измерительно-вычислительных комплексов {ИВК);
выдвинут и обоснован принцип действия активных наномодификаторов карбон-ной группы фуллероидных материалов на проектируемые антифрикционные материалы, смазочные материалы и покрытия с заданными триботехническими свойствами;
предложен применительно к трибосопряжениям метод модификации материалами фуллероидной группы как материалов триботехнического назначения, покрытий, так и смазочных материалов {СМ) и технологических смазочных сред (СОТС)
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработаны методики и алі оритм решения задачи синтеза трибосистем при удов
летворении критериев качества в стационарном и переходных режимах работы
трибосопряжения;
предложенная методика расчетов, алгоритм и программная реализация диагностики технического состояния трибосистемы, определяющего влияние активной среды на параметры качества, а также показатели трения и износа трибосопряжения;
разработана методика многоуровнего контроля состояния модифицируемых антифрикционных маїериалов и смазок наномодификаторами карбонной группы фул-лероидными материалами, на всех этапах изготовления и испытаний;
на уровне изобретения разработаны новые антифрикционные и смазочные материалы, а также конструкции, позволяющие снизить износ, изменить условия трения, повысить надежность и увеличить долговечность трибосопряжений
Достоверность и обоснованность результатов исследования обусловлены использованием фундаментальных положений физики твердого тела, теории трения, основных положений динамики механических систем, теории колебаний, построением корректных математических моделей исследуемых процессов трения, применением эффективных вычислительных методов и средств программного обеспечения для ПЭВМ Научные положения и выводы, полученные аналитически, подтверждены экспериментально и положительными результатами применения в производственных условиях Достоверность полученных результатов
исследования контактных взаимодействий трибосопряжений подтверждена удовлетворительным соответствием результатов с основополагающими решениями, получеппьгми в работах по процессам трения в трибосопряжениях и технологических системах механической лезвийной обработки.
Основные положения, представленные к защите:
единая концепция обеспечения качества работы трибосопряжения при наличие активной среды - как сложной многофакторной системы,
математические модели и методика исследования динамики трибосистемы, разработанные на основе иерархического подхода,
аффективный метод построения целевой функции оптимизации параметров качества поверхностного слоя и параметров трения рассматриваемых трибосопряжений при решении задачи оптимизации,
- результаты теоретических и экспериментальных исследований динамических па
раметров трибосистемы и эксплуатационных характеристик качества работы три-
босопряжения,
методики измерений, принцип действия и конструкции модернизированных три-ботехнических стендов и ИВК для оценки параметров напряженно-деформированною состояния поверхностного слоя деталей пар трения, система коми гексною мониториніа параметров качесіва и диагностики состояния поверхностного слоя пар трения как инструмент управления ірением и износом деталей трибосопряжения,
выдвинутая и эксперимент ально обоснованная модель действия активных наномо-дификаторов карбонной группы фуллероидных материалов на проектируемые ан-шфрикционные материалы смазочные материалы и покрытия с заданными трибо-техническими свойствами
Личный вклад автора.
В диссертадии изложены результаты многолетних исследований, полученные автором самостоятельно, г также совместно с сотрудниками ГОУ ВПО ПИМАШ ДВ Васильковым, В А Ники-иным, ГОУ ВПО СПбГПУ - СГ Чулкиным, АЮ Шабановым, ФГУП ЦНИИКМ «Прометей» -BE Бахаревой, И Ю Абозиным, М А Гериыком
При этом лично автору принадлежат
- обоснование направления исследований, постановка задач, разработка методоло
гии исследований; планирование и проведение экспериментальных исследований,
связанных с триботсхническими испытаниями на стендах и комплексной оценкой
параметров качества ні приборах и измерительно-вычислительных комплексах;
разработка нового экспресс метода определения физико-механических характеристик поверхностного слоя деталей и покрытий пар ірения методом вдавливания алмазного индептора,
разработка модели для оценки комплексного влияния антифрикционных наномо-дификаторов карбонной группы на проектируемые антифрикционные материалы, смазочные материалы и покрьпия, - обобщение экспериментальных исследований, посіроение на их основе математических моделей, и установление основных закономерностей исследуемых процессов;
разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий в промышленности и на транспор ге на основе наномодификаторов карбонной группы фуллероидных материалов.
Реализация результатов работы.
Предложенные методы комллексной оценки основных зксплуаі ационньгх параметров качества трибосопряжепий и методы проектирования конструкционных, смазочных материалов, покрытий триботехнического назначения и СОТС нашли применение
в энергетическом машиностроении, судостроении и станкостроении при проектировании индивидуальных ответственных пар трения «метал - композиционный материал» (ОАО Концерн «Силовые машины» ЛМЗ, ФГУП ЦНИИКМ «Прометей», ОАО «Санкт Петербургский Завод прецизионного станкостроения»); в машиностроении на операциях механической обработки, при разработке новых масляных СОТС и СОТ С на водной основе, содержащих наномодификаторы карбонной группы фуллероидные материалы (ОАО Концерн «Силовые машины» ЛМЗ. ЗАО Завод «Композиі»),
в машиностроении при оценке основных эксплуатационных характеристик поверхностей деталей, подвергающихся различным видам изнашивания после механической обработки дегали судовых дизелей (ОАО «Звезда»), турбшшых лопаток последних ступепий, выполненных из титановых сплавов после механической обработки и методом ионной имплантации (ОАО Концерн «Силовые машины» ЛМЗ), обработки методов пластического деформирования детали трубки парона-гревателя (ОАО Концерн «Силовые машины» ЛМЗ),
при отработке технологий применения антифрикционных препаратов к жидким смазочным материалам двшателеи внутреннего сгорания на этапах триботехниче-ских и стендовых испышний (ГОУ ВПО СПбГПУ, кафедра ДВС, ФГУП ВНИ-ИЖТ г Москва, ФГУП ВНИКТИ г Коломна);
на железнодорожном и автомобильном транспорте при разработке иовых жидких и пластичных смазочных материалов (ФГУП Русэкотранс).
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке дисциплин на технологическом факультете ГОУ ВІЮ ПИМАШ, таких как'
-
«Триботехника» - по разделу «Применение модификаторов и антифрикционных препаратов для создания триботехнических материалов с особыми свойствами», «Влияние динамических параметров трибосистемы на параметры трения и износа».
-
«Динамика технологических систем» - по разделу «Влияние динамических параметров технологической системы на производительность, точность и качество обработанных заготовок».
-
«Взаимозаменяемость и стандартизация» и «Метрология» по разделу «Методы и средства контроля параметров точности и качества».
-
«Основы технолої ия машиностроения» - по разделу «Влияние параметров точности и качества на основные эксплуатационные характеристики пар трения ».
-
«Резание и режуший инструмент» - по разделу «Износ и стойкость режущего инструмента Методы повышения обрабатывемости конструкционных материалов и износостойкости режущего инструмента».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в период 1987 і. но 2004 г на ряде научно-іехнических конференций, симпозиумах, совещаниях и семинарах ЛДНТП (г Ленинград. 1990-1991), Дом ученых им М Горького РАН (г С -Петербург, 1992-1993). ИГТА (г Иваново, 1995), ДНТП (г С -Петербург 1991- 1995), международной конференция "Технология-96" (г Новгород, НовГУ 1996), международной конференции «Ресурсо- и энерго- сберегающие технологии» (г Одесса, УДЭНТЗ. 1995). Commerciah/atron Advances in Large-Scale Production of CARBON NANOTITSES (April 22-23 1999, Washington, USA), всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моде іиро-вания процессов"' (г Рыбинск, РГТА, 1999), «Fullerenes and Atomic Clasters», 4lh Biennial International Workshop in Russia IWFAC*99 (1999, St Petersburg, Russia), международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Триботехника на транспорте», «Трансірибо-2001, 2002» (г С-Петербург, СПбГТУ, 2001, 2002), международной на>чно практической конференции "Качество поверхностного слоя деталей машин" (і С -Петербург, 2003), международной научно практической конференции "Автоматизация технологических процессов в машиностроении Режуший инструмені и оснастка" (г С -Петерб>рг, 2003), международной научно практической конференции "Технолої ии третьего тысячелетия" (і С -Петербург, 2003), международной научно-практической конферении, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга «Безопасносіь водного транспорта» (г С -Петербург, 2003), на НТС РОС-КОММАШ (1994), УМПО (г Уфа, 1991), ПО «Звезда» (г С.-Псгребург, 1995), ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» (г С-Петербург, 2000-2001), ФГУП «Рособороюкспорт» ДГУП «Гранит -
ный» (г Североморск, 2002), на V съезде Российского Автотранспортного Союза и Расширенного заседания Сове і а Службы автомобильного и городского транспорта и транспортной инспекции Министерства Транспорта России (г Москва, 2003), ФГУП ПКБ ЦТ МПС (г Москва, 2003), ГУП Московский метрополитен (г Москва, 2004), ФГУП ВНИКТИ (г. Коломна, 2004)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 76 печатных работы, в том числе 6 моноірафии, две брошюры, 5 публикаций в центральных и 14 отраслевых изданиях и журналах, а также в трудах Международных и Всероссийских конференций, получены 2 патента и положительное решение на па г єні
Структура и объем дисссріации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 241 наименований и содержит 335 страниц текста, включая 12 таблиц, 100 рисунков и двух приложений, подтверждающих внедрение результатов диссертационной работы на отраслевом и региональном уровнях.
Трение при наличии граничного слоя смазочного материала
В условиях трения без смазочного материала (в аварийных режимах при отсутствии масляного клина; при обработке металлов резанием лезвийным инструментом и пластическим деформированием), когда нормальные давления велики и обрабатываемый материал находится преимущественно в пластическом состоянии, определяющее влияние на величину сил трения должно оказывать деформационное взаимодействие контактирующих тел. Силы трения в этом случае определяются комплексно и зависят от значительного числа факторов, в свою очередь, зависящих от условий контактного взаимодействия, физико-механических характеристик контактирующих поверхностных слоев, а также условий среды, являющейся третьим телом и обеспечивающим разделение поверхностей при контакте.
В изучении деформационного взаимодействия и формирования фактического контакта соприкасающихся тел наряду с рассмотренными выше подходами важнейшими представляются исследования Ф.П.Боудена и Д.Тейбора [15, 16], А.П.Грина [58, 59], Г.И.Епифанова [75, 76, 77] и др. Так А.П.Грин использует соотношения теории пластичности (метод характеристик) для определения напряжений, возникающих при пластическом взаимодействии шероховатостей поверхности трущихся тел. По развиваемой в работах [75, 76, 78] Г.И.Епифанова с сотрудниками теории сдвигообразования сила трения определяется по прочности материала на сдвиг и по величине нормальной нагрузки: F = TQ-Sc+r-N, (1.6) где r0 - доля металлического контакта, зависит от физико-механических характеристик металлов; 5С - площадь сдвига, соответствующая первому слагаемому силы трения; г - скорость изменения касательных сил; N — нормальное усилие.
Специальные экспериментальные исследования влияния нормальных давлений на силы трения позволили авторам работ [75, 78] установить, что нормальное усилие участвует в формировании силы трения, обусловливая величину площади трения. Поэтому в условиях, при которых величина этой площади под действием нормального усилия меняться не может, сила трения перестает зависеть от нее. Непосредственное влияние нормального напряжения на величину напряжения сдвига при трении не обнаруживается. Для окончательного решения вопроса расчета сил трения, как сопротивления сдвига в приконтактном слое, важное значение имеет определение механических свойств материалов в этом слое и площади фактического контакта (или площади, по которой происходит сдвиг) в зависимости от нормального давления, состояния контактной поверхности и реологических свойств деформируемого материала. Особое значение имеет расчет сил контактного трения при наличии граничной смазки в зоне контакта. В этом случае между контактирующими поверхностями имеется промежуточная активная среда, свойства которой существенно отличается от физико-механических свойств материалов пары трения. При наличие среды возможны участки, разделенные смазочной средой, а также участки без промежуточной среды. Тогда, сила трения согласно [15,16,235] равна F = .[a.SMCT+(l-a).Sj, (1.7) где А - полная площадь, несущая приложенную нагрузку; а - доля металлического контакта; мет и 5СМ - сопротивление на срез соответственно металла и смазочной среды.
Расчет сил трения по представленной выше зависимости возможен только при наличии данных о свойствах смазочной среды и материала в приконтактном слое. Наиболее полно механизм граничного трения с зо применением смазочных материалов изучен Л.С.Ахматовым [5], в работах которого показано, в частности, что физические свойства тонких смазочных пленок существенно отличны от объемных свойств смазок.
Исходя из предложенной деформационно-адгезионной теории, И.В.Крагельский [ПО, 111] делает вывод, что действие смазки обусловлено не только ее свойствами, но и взаимодействием смазки с поверхностью твердого тела и твердых поверхностей между собой. Таким образом, расчет силы трения при применении смазок требует учета закономерностей формирования граничного слоя, реологических свойств смазочной пленки и материалов трущейся пары в приконтактном слое.
Выше рассматривались модели, описывающие контактное взаимодействие твердых тел, либо не содержащих на своих поверхностях смазочных материалов, либо при толщине смазочных пленок измеряемой несколькими атомными слоями жирных кислот (или оксидов). Данные атомные слои являются неотъемлемой частью всех не ювенильных, только что образованных, реальных поверхностей. При использовании жидких смазочных материалов характер трения в точке контакта существенно меняется в силу двух причин: первая - наблюдается существенное отличие физико-химических свойств жидкой среды, а второе - это отличие введено понятие коэффициента внешнего трения жидкости, непосредственного соприкасающихся со стенкой, которая находится под действием силы Р, пропорциональной поверхности (площади) слоя S, скорости перемещения V с коэффициентом трения //ж: P = JLI.M-S-V. (1.8) л В рамках данной теории допускалось, что коэффициент трения //ж является бесконечной величиной, то есть //ж-»оо, тогда V = 0, и слой жидкости рассматривается как бы «приклеенным» к данной стенке. Данную гипотезу подтвердил опыт Вабурга (1870 г.), а также Куэтта (1890 г.). Новое в понимании гидромеханики жидкостного трения смазочного материала внес Н.П.Петров [181] в конце XIX века. Он ввел понятие коэффициента скольжения жидкости у, как отношение коэффициентов внутреннего г] и внешнего трения жидкости //ж Г = ФХ- (1.9) В опытах Н.П.Петров установил, что величинами коэффициентов скольжения жидкости можно пренебречь. Значение данного коэффициента /-., существенно зависит от толщины самого смазочного слоя. Н.П.Петров сформулировал ньютоновский закон переноса количества движения применительно к гидродинамическому законов движения, как внутри самой жидкости, так и в пограничных слоях.
Одна из первых гипотез граничного трения, была сформирована еще К.Л.Навье (1822 г.). Им трению двух коаксиальных цилиндров, разделенных слоем вязкой жидкости.
При постоянной температуре смазывающей жидкости сила внутреннего трения жидкости ;;, соответствующая данной температуре, пропорциональна величине поверхности S взаимного соприкосновения контактирующих тел и пропорциональна первой степени относительной скорости V этих тел на их поверхностях прикосновения. Она обратно пропорциональна сумме, состоящей из толщины слоя h смазывающей жидкости и из суммы отношений коэффициента внутреннего трения 7/ к коэффициентам внешнего трения /лж жидкости при данной температуре
Общий подход при составлении схемы для определения основных эксплуатационных параметров качества трибосистемы с целью повышения ее эффективности
Разрушающая часть микровыступа согласно рис. 2.7, действуя передней поверхностью на разрушаемый слой сопрягаемой поверхности детали, деформирует его вначале упруго в зоне, а затем в локальной области осуществляет первичную пластическую деформацию. Деформация разрушаемого материала по мере приближения к микровыступу постепенно возрастает до условной плоскости сдвига, где срезаемый слой подвергается деформации сдвига. Условно, до момента образования отделенного объема материала, можно разбить это процесс на два этапа: деформация до плоскости сдвига и сдвиг элемента малой толщины по плоскости сдвига.
В результате такого разрушения в срезаемом слое создается тонкая структура пластинчатого типа, состоящая из широких пластинок и узких плоскостей сдвига, с неравномерной периодичностью и чувствительная к изменениям условий разрушения резанием. Таким образом, происходит образование тонкой основной периодической структуры, которая отражает только свойства, характерные для разрушаемого материала.
Рассмотрение нормальных а и касательных г напряжений в зоне контакта передней поверхности микровыступа с разрушаемым слоем
100 материала по аналогии с результатами, полученными при исследовании процессов разрушения лезвийным инструментом [135, 136], можно представить зоной пластического контакта Ln и зоной упругого контакта Lc (см. рис. 2.7). Наиболее сильно по ширине контакта Ln изменяются нормальные напряжения. Касательные напряжения распределены более равномерно. Возрастая от нуля в точке отрыва разрушенного объема материала, касательные напряжения г резко замедляют свой рост в середине контакта и в пределах ширины зоны пластических деформаций Ln остаются почти постоянными, это объясняется тем, что их увеличение ограничено сопротивлением отделенного материала (стружки) сдвигу.
Схождение стружки по передней поверхности микровыступа определяется отношением касательных напряжений к нормальным в каждой точке контакта. Это отношение напряжений может быть определено через локальный коэффициент трения стружки по передний поверхности как McmpgO (гДе 0 - угол трения). Наибольшее значение коэффициент трения имеет в точке отрыва стружки и постепенно уменьшается по мере приближения к режущей кромке микровыступа.
Возрастание касательных напряжений ограничено, поэтому, когда напряжение внешнего трения станет больше сопротивления материала стружки пластическому сдвигу, внешнее скольжение стружки будет сразу же заменено энергетически более выгодными внутренними сдвигами в материале стружки. На участке LQ - Ln х Ln касательные напряжения остаются постоянными, движение стружки осуществляется вследствие пластических деформаций ее контактного слоя. При этом нижний слой стружки снижает скорость движения по передней поверхности, что и приводит в совокупности к образованию крупных пилообразных элементов.
После прохождения условной плоскости сдвига деформированный слой в области вторичной пластической деформации формирует стружку, которая в зоне контактирует с передней поверхностью микроклина и под действием сил трения подвергается упругой деформации, что приводит к формированию крупных внешних элементов стружки (похожая на пилу структура).
В процессе контакта микроклина со стружкой происходит местная адгезия, возникают пятна схватывания. Например, при резании материалов на контаткирующих поверхностях по всей площади выступа (инструмента) и стружки непрерывно восстанавливаются и разрушаются так называемые адгезионные связи [221, 222]. В работах [135, 136] применительно к процессам резания было установлено, что данное физическое явление протекает циклически, что может явится одной из основных причин возникновения автоколебательного процесса. Указанное было исследовано применительно к процессам резания в рамках нелинейной модели [26, 28].
Рассматривая контактное взаимодействие режущего инструмента и заготовки в процессе стружкообразования, было установлено, что при разрушении резанием лезвийным инструментом материала заготовки имеют место два режима взаимодействия инструмента и стружки [26]: скольжение и схватывание (адгезия). Условия осуществления фазовых переходов определяются кинематическими и силовыми элементами сплошной среды — стружки, которая формирует условия взаимодействия между режущим инструментом и разрушаемым материалом. Согласно данной модели контактное взаимодействие между стружкой и поверхностью режущего инструмента формируется на основе микропредставления и определяется несущей способностью контакта. При этом под несущей способностью контакта понимается максимальное значение силы, обеспечивающей переход из фазы скольжения в фазу схватывания.
Таким образом, в процессе микрорезания образуется крупная пилообразная структура, которая отражает упругую реакцию разрушаемого триботехнического материала на условия микрорезания. При этом принято допущение, что пластическая деформация внутри элемента и сжатия у передней поверхности микроклина происходят одновременно, а уширение стружки не происходит.
Можно менять периодичность больших пилообразных зубьев, увеличивая или уменьшая жесткость и силовые деформации трибосистемы, но это не меняет параметры тонкой основной периодической структуры. Некоторые свойства материала, а также особенности и тип кристаллической решетки и энергия дефектов упаковки, будут вызывать некоторые изменения периодичности и направления условных плоскостей сдвига.
Определение основных характеристик, описывающих условия контактного взаимодействия в процессе трения и разрушения триботехнических материалов при сухом трении
С целью определения выше обозначенных параметров исследования экспериментальных СКМ может быть использован прибор ПИРСП - 03 Л для измерения реологических свойств полимеров. Этот прибор представляет собой комплексную лабораторную установку ротационного типа, позволяющую получать разнообразную информацию о деформационных свойствах материалов в широкой области измерения реологических параметров. На этом приборе могут создаваться два режима деформирования: непрерывное сдвиговое течение и периодические гармонические колебания. При задании постоянной скорости вращения или постоянной частоты колебаний измеряют касательные и нормальные усилия и рассчитывают коэффициенты вязкости и нормальных напряжений, модуль упругости при сдвиге, комплексный (динамический) модуль упругости и его составляющие.
Осуществляется подготовка аппаратуры: выбор и монтаж конуса, а также режима испытания (вращательный или колебательный). Выполняется загрузка смазочного материала или СКМ на конус прибора (см. рис. 3.20), согласно штатной инструкции к испытаниям на приборе.
Выполняется подбор необходимого режима, регистрирующего устройства. С этой целью проводятся пробные исследования СКМ на приборе и в случае превышение угла закручивания торсиона или недостаточного угла, осуществляется переход на более или менее чувствительный режим.
Схема зазора между вращающимся конусом - 2 и неподвижной плоскостью — 1 при измерении реологических свойств
Реально определенная система управления любой сложной системой в силу многих причин всегда отличается от теоретически рассчитанной. На трибосистему в реальном режиме времени влияет большое количество факторов, которые вносят свои отклонения в управляющих воздействиях на систему в ту или иную сторону.
Во-первых, к основным влияющим факторам можно отнести наличие отклонений типа допусков в широком смысле (допусков на физико-химические свойства триботехнических материалов, покрытий, смазочных материалов, технологических допусков на точность и параметры качества и т.п.), которые, в свою очередь, приводят к серьезным отклонениям в работе системы: таким, как изменение температуры, характер силового взаимодействия, возникновение колебаний и динамических свойств системы из-за непостоянства нагрузки и ряда других причин.
Во-вторых, не менее важным обстоятельством является идеализация рассматриваемой реальной системы при проектировании. Для упрощения расчетов обычно пренебрегают рядом факторов, например, заменяют распределенные параметры сосредоточенными, не учитывают малые постоянные времени и т.п. В частности, из-за принятых допущений может изменяться порядок системы, причем предложенная модель представляет собой аппроксимацию рассматриваемой системы.
Для того чтобы выяснить, будет ли реальная система с возможными отклонениями ее параметров от начальных значений удовлетворять предъявленным к ней требованиям, необходимо проанализировать влияние этих отклонений на поведение системы. Кроме того, анализируя влияние принятых допущений на поведение системы, можно оценить, насколько правильно выбранная модель описывает реальную систему управления.
Изменения поведения системы, вызванные отклонением параметров можно оценить при сравнительных расчетах, однако это связано с громоздкими расчетами на этапах вычислений. Поэтому, используя методы теории чувствительности [17, 21, 43], можно оценить поведение системы при малых отклонениях параметров без полного перерасчета. Применение методов теории чувствительности позволяет с одной стороны, оценить влияние нестабильных параметров на систему управления и характер ее функционирования, а с другой - позволяет выделить так называемые существенные параметры, от которых зависит качество работы рассматриваемой системы. Это, в свою очередь, позволяет построить модель чувствительности, определяющая возможность оптимизации данных параметров относительно выбранных критериев. Анализ и количественная оценка изменения поведения системы могут быть достаточно просто выполнены как аналитически в простейших случаях, так и с использованием возможностей современной вычислительной техники применительно к сложным системам.
При анализе чувствительности различаются конечные малые отклонения параметров (или ошибки в их задании). Основные положения теории чувствительности в настоящее время подробно рассмотрены в работах [17, 21, 43], на использовании которых базируется изложенный ниже алгоритм 3.8, применительно к рассматриваемым триботехническим системам.
Основные характеристики присадок и антифрикционных препаратов, входящих в состав СМ трибосопряжений двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
Структура поверхностей трения трущихся деталей машин зависит от условий трения, в частности от вида трения, давления, смазки, скорости трения, физико-механических свойств пар трения. Поверхностные слои пар трения деталей машин находятся в объемном напряженном состоянии. В случае переменного воздействия внешних сил и недостаточной смазки при высоких скоростях трения поверхностные слои подвергаются воздействию значительных температур, вызывающих изменения структуры поверхностного слоя.
Для анализа состояния поверхности трения образцов, испытанных на машинах трения, был проведен металлографический анализ, по стандартной методике с микрофотографированием поверхностной структуры шлифов. При подготовке образцов (разрезке, шлифовке, микрошлифовке) использовалось оборудование и препараты фирмы BUEHLER. Работа была выполнена на кафедре «Стали и сплавов» ГОУ ВПО СПбГПУ. Просмотр образцов и анализ осуществлен на ИВ К, состоящем из инструментального микроскопа фирмы Leitz; ПЭВМ и интерфейса фирмы BUEHLER.
Основные результаты металлографического анализа представлены ниже в табл. 4.3. В которой порядковый номер микрофотографии соответствует номеру триботехнического состава (см. выше).
По данным микрофотографиям можно сделать следующие выводы:
1) Наиболее стабильными являются поверхности, соответствующие составам №6, №8 и №9. На микрофотографиях не отмечается явных вырывов поверхности, износ происходит равномерно, по зернам металла способом истирания, что является предпочтительным при трении скольжения в режиме граничного и сухого трения.
2) Увеличение концентрации АП ФН в масле приводит к перенаклепу рабочих поверхностей. Разрушение происходит способом отслаивания перенаклепанного материала (см. п. 7 образец №7).
3) Уменьшение концентрации в АП ФН УНМ в пять раз, приводит к разрыхлению поверхности трения и возможности разрушения за счет выкрашивания поверхности - отдельных зерен (см. п.п. 3 и 10).
4) АП дисульфид молибдена и АПГМТъ масле приводят к образования отдельных рисок и разрушению поверхности выкрашиванием зерен.
Кроме металлографических исследований, были проведена оценка состояния поверхности трения образцов из стали 20X13 на растровом микроскопе JEOL. Микрофотографии представлены на рис. 4.43 и рис. 4.44.
На основании полученных микрофотографий можно сделать следующие выводы
1) Поверхность трения после испытаний (см. рис. 4.44) с составами №2 и №6 до травления не имеют явных дефектов в виде крупных рисок, микровырывов, вкраплений. Данный результат является положительным, поскольку обеспечивают достаточно высокую износостойкость поверхности.
2) После травления на поверхностях трения (см. рис.4.45) образцов, испытанных с препаратом №2, отмечаются вырывы кристаллов из поверхности и продольные риски. На образцах, испытанных с препаратом №6, истирание происходит по всей площади зерен. Данный факт подтверждает изложенную выше гипотезу о характере влияния АП ФН в СМ поверхности трения
1. В главе рассмотрены основные виды СМ, применяемых в трибосопряжениях и технологических процессах. На основании требований, предъявляемым к СМ, обозначена функция состояния основных триботехнических характеристик и свойств СМ на этапах их проектирования, изготовления и эксплуатации.
2. На основе анализа литературных данных и результатов собственных экспериментов представлена классификация основных АП, входящих в состав СМ, которая позволяет разделить АП: по структуре входящих активных составляющих, свойствам и характеру действия основных компонентов на поверхности трения. Разработанная классификация позволила выделить основные классы современных АП, применяемых в СМ. На основании этого в зависимости от условий трения произведена разработка новых СМ обладающих заданными антифрикционными свойствами применительно к режимам граничного или сухого трения.
3. В главе представлены основные модели работы современных АП в СМ в зоне трения в режимах граничной смазки, а также рассмотрен возможный характер действия на основные параметры качества поверхностей трения.
4. Подробно рассмотрены АП на базе геомодификаторов трения, которые из-за своей доступности и особых физико-химических и физико-механического свойств могут на современном этапе рассматриваться как перспективные АП в СМ. Однако технология их широкого применения требует дальнейшей тщательной проработки применительно к конкретным трибосопряжениям.
5. В главе дан анализ АП на базе фуллероидных наномодификаторов, которые из-за своих уникальных физико-химических и физико-механического свойств могут на современном этапе рассматриваться как наиболее перспективные АП при инжиниринге поверхности трения, как с
239 точки зрения модификаторов СМ, так и модификаторов покрытий, конструкционных и триботехнических материалов и технологических жидкостей.
6. На основе оценки физико-механических и физико-химических характеристик фуллероидных наномодификаторов и собственных испытаний триботехнических материалов, покрытий и СМ, содержащих АП ФН, разработана модель влияния свойств данных материалов на параметры процесса трения, износа и эксплуатационные параметры качества деталей трибосопряжения.
7. Проведенные триботехнические испытания и инструментальная оценка поверхностей трения образцов АП трех групп: ГМТ, эпиламоподобные и металлоорганические, ФН к смазочным материалам показали работоспособность предложенных методик и аппаратных средств, в виде ИВК для оценки комплексного влияния АП на параметры трения и качества. Кроме того, позволили сделать вывод о целесообразности разработки новых СМ с использованием АП.
8. С помощью инструментальных и аппаратных средств количественно и качественно оценено воздействие активных АП ФН на показатели качества поверхностей трения и параметры работы трибосопряжения. В целом подтверждены отдельные выдвинутые гипотезы и правомерность модели о положительном влиянии данных препаратов на процесс трения, что позволяет рассматривать создание на их базе управляемых активных сред.
