Силовые и энергетические закономерности в контактируемых материалах в условиях малоамплитудного фреттинга

Актуальность проблемы.

Улучшение эксплуатационных свойств трибоматериалов за счет повышения надежности, долговечности и экономичности на сегодняшний день является одной из актуальных и значимых задач современного машино-и приборостроения. Потери средств от трения и износа в развитых государствах достигают 4.5% национального дохода, а преодоление сопротивления трению поглощает во всем мире 20.25% вырабатываемой за год энергии [70].

Изнашивание приводит к нарушению герметичности узлов, теряется точность взаимного расположения деталей и перемещений. Возникают заклинивания, удары, вибрации, приводящие к поломкам. Трение приводит к потерям энергии, перегреву механизмов, снижению передаваемых усилий, повышенному расходу горючего и других материалов. Положительная роль трения необходима для обеспечения работы тормозов, сцепления, движения колес. Явления трения и изнашивания взаимно обусловлены: трение приводит к изнашиванию, а изнашивание поверхностей деталей в ходе работы приводит к изменению параметров трения.

Для ликвидации последствий изнашивания проводятся текущие и капитальные ремонты, в ходе которых изношенные детали и узлы либо заменяют, либо восстанавливают. В процессе эксплуатации с целью профилактики изнашивания проводятся плановые техобслуживания.

Например, в США в начале 90-х гг. затраты на ремонт только автотранспортных средств составили около 24 млрд. долларов в год. В России же эти расходы (в ценах начала 90-х гг.) составили в среднем 40 млрд рублей. При этом установлено, что из-за износа, плохой регулировки и неправильно подобранных материалов теряется около 15% мощности двигателя.

Изношенные ДВС выбрасывают в атмосферу большое количество СО, соединений свинца и других вредных веществ. В связи с этим обострена экологическая проблема применения ДВС. Простои автомобилей из-за технических неисправностей в среднем автохозяйстве достигают 30−40% календарного времени [93].

Решение проблем трения, изнашивания и смазки позволило добиться высокого экономического эффекта. По оценкам международных экспертов широкое внедрение достижений в этой области способно на треть сократить затраты на ремонт и эксплуатацию транспортных средств, причем на одну шестую без заметных капитальных вложений. Иллюстрацию прогресса в деле внедрения достижений трибологии в 90-х гг. дают данные, опубликованные по Великобритании [93].

Результаты внедрения по статьям Годовой эффект, млп.ф.ст.

Снижение потребления энергии.

Сокращение ручного труда.

Снижение затрат на смазочные материалы.

Снижение затрат на обслуживание и ремонт.

Исключение потерь, связанных с поломками.

Интенсификация использования оборудования и повышение КПД.

Экономия вложений за счет повышения долговечности.

Итого:

Несомненно, что расширение применения достижений трибологии в нашей стране тоже позволит существенно повысить эксплуатационное качество транспортных средств и достигнуть значительных экономических и экологических результатов.

Считается, что основными направлениями работ по существенному повышению эксплуатационных свойств транспортных средств на основе использования трибологии являются следующие [70, 93]:

— дальнейшее развитие фундаментальной теории трения и изнашивания, в первую очередь, в области трибоматериаловедения;

— совершенствование конструкции узлов трения транспортных машин, снижение материалоемкости, веса, повышение надежности и ресурса;

— применение новых материалов и технологий для повышения износостойкости и несущей способности пар трения;

— разработка и применение смазочных материалов четвертого и пятого поколений, на которые уже переходят развитые страны;

— использование экологически чистых методов эксплуатации, новых антифрикционных и фрикционных материалов, не содержащих асбест, свинец, соединения тяжелых металлов и другие токсичные и канцерогенные вещества;

— совершенствование конструкции уплотнений, обеспечивающих низкое трение, герметичность и исключающих попадание абразива в сопряжения деталей;

— ускорение перевода транспортных энергетических установок на более эффективные и экологически чистые энергоносители: топливный газ, электроэнергию, водород, солнечную энергию, применение энергоемких аккумуляторов энергии, как электрохимических, так и механических. Применение эффективных каталитических устройств газоочистки;

— повышение образовательного уровня материаловедов, инженеров-конструкторов, технологов и эксплуатационников в области трения, износа, смазки и других проблем трибологии.

В современной механике под трением понимают широкий круг явлений, вызываемых взаимодействием соприкасающихся поверхностей твердых тел при относительном перемещении, а также внутреннем движением в твердых, жидких и газообразных средах при их деформации.

Первоначальное развитие получило изучение внешнего трения как силы сопротивления относительному движению соприкасающихся тел при трогании с места, скольжении, качении, верчении, при смазке в гидродинамическом режиме, образовании на поверхностях тонких слоев в несколько молекул (граничная смазка) либо в отсутствие смазки (сухое трение).

Внутреннее трение в твердых, жидких и газообразных средах подробно изучено в аэрои гидродинамике и связано с необратимым рассеянием механической энергии.

В технике трение является инициатором деформационных, динамических, тепловых, акустических, электрических, адгезионных и других процессов, определяющих ресурс работоспособности узлов трения машин, их энергетику и эффективность.

Первичной проблемой при изучении трения является контактирование соприкасающихся поверхностей. В понятие контактирования входит взаимодействие поверхностей, принадлежащих твердым телам, под действием относительного смещения и сжимающих сил с учетом их отклонения от идеальной формы и влияния среды (газы и смазочные материалы), присутствующей в зоне контакта.

Трибологами была разработана модель дискретного контактирования твердых тел при трении и гипотеза о двойственной природе фрикционного взаимодействия. Впервые она была сформулирована В. Д. Кузнецовым, Ф. П. Боуденом, Д. Тейбором, И. В. Крагельским и развита Н. Б. Демкиным, Н. М. Михиным, Н. М. Добычиным, В. С. Комбаловым, Е. Ф. Непомнящим и др. Итогом этой работы явилось четкое представление процессов трения и изнашивания твердых тел с учетом физических и химических явлений.

В результате анализа предложенной модели были сформулированы три последовательных и взаимосвязанных этапа процесса трения:

1) взаимодействие поверхностей с учетом влияния среды;

2) изменение поверхностных слоев в результате взаимодействия с учетом влияния окружающей среды;

3) разрушение поверхностей (износ) вследствие двух предыдущих этапов [70].

Позднее эти положения были дополнены А. В. Чичинадзе, который определил следующие показатели трения и износа:

— свойства материалов пары трения и окружающей среды;

— микрои макрогеометрия контактирующих элементов и коэффициент взаимного перекрытия;

— режим трения по нагрузке, по скорости скольжения, по начальной, текущей объемной и поверхностной температуре и градиенту температуры по координате и времени [ 70, 86, 103].

Особую категорию в теории трения представляет малоамплитудный фреттинг — процесс. В этом случае фрикционные процессы сочетаются с ярко проявляющимися явлениями поверхностной и объемной усталости, коррозии. Многообразие и малоизученность этого взаимодействия и послужили причиной выполнения данного исследования.

Цель исследования.

Целью диссертационной работы является развитие силовой модели и обоснование синергетической модели механизма фреттинг — процесса в материалах с целью их дальнейшего проектирования и технологической оптимизации свойств.

Задачи работы.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Проведение анализа современного состояния вопроса по механизмам и моделям фреттинг-процесса.

2. Исследование и разработка силовой модели малоамплитудного фреттинга на основе вибромеханики контакта.

3. Развитие энергетических аспектов процесса трения в условиях фреттинга с использованием синергетического подхода.

4. Экспериментальная оценка адекватности расчетных моделей реальным параметрам трения при фреттингпроцессе.

Методы и средства исследования.

Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений системного анализа и математического моделирования, а также соответствующих разделов теории дифференциального исчисления. При выполнении работы использовались: метод аналитического математического моделирования, численные методы, методы математической статистики, аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решения. В процессе исследования были проанализированы: техническая документация, справочная литература, публикации по теме исследования. Сопоставление адекватности исследуемых моделей с экспериментальными данными проводилось с использованием компьютерной программы Mathcad 6.0. и Excel 7.0 с обработкой полученных данных на IBM PC совместимых компьютерах.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

— получена аналитическая зависимость, позволяющая связать коэффициент трения при малоамплитудном фреттинг — процессе с базовыми физикомеханическими характеристиками материалов пар трения;

— получено уравнение для описания процесса нагружения при фреттинге, установлен вид скелетной кривойопределен физический смысл параметра пластичности, характеризующего способность контакта к деформационному упрочнению;

— установлена взаимосвязь между микроскопическим запасом силы трения и параметром пластичности. Получено уравнение нагружения контакта, содержащее один параметр кривой нагружения — параметр пластичности;

— получена зависимость для определения плотности предельной энергии деформации поверхностного слоя с учетом числа циклов нагружения в условиях малоамплитудного фреттинг-процесса.

Основные положения, выносимые на защиту :

— методы математического описания трения в условиях малоамплитудного фреттинг — процессаи.

— физическое толкование базового показателя — параметра пластичности, позволяющего связать прочностные свойства материала с трением в условиях фреттинга;

— энергетическую модель малои микроамплитудного фреттингпроцесса.

Практическую ценность составляют:

— полученные силовая и энергетическая модели трения в условиях малоамплитудного фреттинг — процесса;

— возможность прогнозирования и проектирования поведения и свойств материалов пар трения, эксплуатирующихся в условиях фреттинга;

— возможность создания информационных баз знаний на основе теоретических расчетов с целью проектирования новых материалов с заданными свойствами (фреттингостойкость).

Реализация и внедрение результатов исследования:

— методики расчетов переданы для реализации и опытного внедрения в практику работы конструктурско — технологических служб ОАО «Кремний» и НИИ «Изотерм»;

— используются в учебном процессе БГУ, БГИТА при чтении курсов «Физические основы прочности» и «Избранные разделы теории трения твердых тел».

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

1) на секциях конференций:

— Международной конференции «Конструкционные и функциональные материалы КФМ — 97», Львов, октябрь 1997;

Всероссийской научно — технической конференции «Машиностроительные технологии», Москва, МГТУ им. Баумана, 1998;

VI Международной конференции «Лазерные технологии. Фундаментальные проблемы и приложения», Шатура — 1998;

— Внутривузовской конференции «Вклад ученых специалистов в национальную экономику», Брянск, 1998;

— Региональных научно — технических конференциях «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику», г. Брянск, 16 — 18 мая 2001 г.- 16−18 мая 2002 г.- 22−23 мая 2003 г.

2) на тематических межкафедральных семинарах преподавателей и аспирантов.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения,.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Рассмотрены и развиты механизмы трения в условиях малоамплитудного фреттинг — процесса.

Адгезионная модель малоамплитудного фреттинг — процесса дополнена математической аппроксимацией, позволяющей связать коэффициент трения с базовыми физико — механическими характеристиками материалов пар трения.

Показано, что уравнение (18) является геометрическим местом вершин симметричных циклов, т. е. является скелетной кривой для симметричного цикла нагружения. Другими словами, уравнение (18) можно считать основой для описания процесса нагружения при фреттинг — процессе.

Определен физический смысл параметра «п» как пластической части предельного значения относительной деформации в контакте. Этот параметр характеризует способность контакта к деформационному упрочнению. Чем больше параметр пластичности, тем выше способность материала к деформационному упрочнению. Большим п соответствуют меньшие значения параметра А,&bdquo-, т. е. пластическая деформация уменьшается с увеличением микроскопических запасов силы трения. При А,-* 1 наблюдается переход в полное фрикционное скольжение, при А"т^е пластическая деформация в контакте будет отсутствовать.

Установлена взаимосвязь между микроскопическим запасом силы трения Хт и параметром пластической части относительной деформации п. Получено уравнение нагружения контакта, содержащее один параметр кривой нагружения п.

Показано, что пластические свойства контакта определяются исключительно распределением запаса силы трения А,&bdquo-.

8. Исследованы механизмы самоорганизации при малоамплитудном фреттинг — процессе. Показано, что эволюция системы трения в направлении самоорганизации определяется механо-химическими параметрами фреттинга.

9. В ходе теоретических исследований установлено, что возникновение вторичных структур при фреттинг — процессе соответствует принципу наименьшего принуждения и сопровождается уменьшением коэффициента трения, тормозя процессы накопления усталостной повреждаемости поверхностных слоев.

10. Получена зависимость, позволяющая определить плотность энергии пластической деформации поверхностного слоя с учетом числа циклов нагружения и физико — механических свойств контактируемых материалов.

11. Показано, что полученную расчетную модель можно рассматривать как основу для формирования база знаний для моделирования структурных составляющих и состояния поверхностных слоев материала, эксплуатирующихся в условиях малоамплитудного фреттинг — процесса.

12. В результате анализа расчетных моделей и эксперементальных данных отмечается их удовлетворительная сходимость.

13. Показано, что формирование вторичных структур в зоне фреттингповреждения косвенно подтверждает присутствие резонансных эффектов в точках бифуркации, сопровождающихся предельно высокой плотностью энергии пластической деформации. 4.