Термоупругие контактные задачи для тел с покрытиями

Механика контактных взаимодействий деформируемых тел является в наше время активно развивающейся областью. Проблемы контактных взаимодействий являются центральными в механике твердых тел, поскольку контакт — это один из принципиально главных способов работы элементов механизмов машин, в результате которого величина контактных давлений играет роль важного фактора, существенно влияющего на прочность и долговечность конструкций. Только решая контактные задачи мы можем дать, отвечающую действительности, картину распределения напряжений и деформаций, которые возникают вследствие контактных взаимодействий. Обзор работ по основным достижениям в области механики контактных взаимодействий можно найти в фундаментальных монографиях И. Я. Штаермана [124], Л. А. Галина [41], И. И. Воровича, В. М. Александрова, В. А. Бабешко [35], К. Джонсона [59], а также в обзорных монографиях [126,127].

Динамические контактные задачи не рассматриваются в данной диссертации, но с ними можно познакомиться по монографии [126] и монографиям [36, 46].

Целью данной диссертации является рассмотрение и анализ решений контактных задач с учетом трения, износа и тепловыделения от трения для тел с покрытиями, а также решение термоупругих контактных задач для цилиндрического и сферического подшипников скольжения и расчет контактных температур, возникающих при вращении вала (шара) в этих подшипниках.

Ниже дан обзор работ, непосредственно примыкающих к теме данной диссертации.

I. Износ — процесс удаления материала с поверхности трения из — за разрушения данной поверхности. Проявлением износа является изменение формы и размеров контактирующих тел. При учитывании процесса износа в математической постановке возможно ответить на основные вопросы возникающие при расчете, такие как распределение контактных давлений в области контакта, взаимное положение контактирующих тел и другие. Впервые задачу о контактном взаимодействии с учетом износа поставил и решил М. В. Коровчинский [91]. В этой работе он предложил метод решения износоконтактных задач. Суть метода заключается в применении к основному уравнению задачи интегрального преобразования Лапласа по времени.

В своих работах В. М. Александров [3, 4] рассмотрел два упругих тела, взаимодействующих и движущихся друг относительно друга, с локальным оплавлением одного из них. Были изучены как плоская, так и осесимметричная постановки задачи. Для решения были использованы метод преобразований Лапласа и метод асимптотических разложений.

При математической постановке контактных задач с учетом износа играет важную роль величина линейного износа а-. Эта величина оценивает изменение формы взаимодействующих тел в направлении, перпендикулярном к поверхности трения. Функция ш зависит от времени и координат поверхности, поскольку изнашивание поверхности происходит неравномерно. Закон изнашивания представляет собой зависимость скорости изнашивания от контактного давления, скорости скольжения, температуры и др. Для многих видов изнашивания имеет место степенная зависимость скорости изнашивания от давления и скорости скольжения, которую предлагают И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов [93]. Наиболее простые постановки контактных задач при учете износа возникают при использовании линейного закона износа. Поскольку их решения сводятся к решению задачи Коши. Так, например, М. А. Галахов и П. П. Усов [38] предлагагают использовать наиболее распостраненный метод — метод характеристик. Различные методы решения можно найти в работах следующих авторов: В. М. Александров, В. М. Александров и Е. В. Коваленко Л. А. Галин, И. Г. Горячева, И. Г. Горячева и М. Н. Добычин, М. В. Коровчинский [2, 20, 23, 40, 41, 50, 91, 129].

Одним из наиболее распространенных методов является использование спектральных свойств интегральных операторов соответствующих контактных задач. В работах В. М. Александрова, Л. А. Галина, Н. П. Пириева [13] и В: М. Александрова, Е. В. Коваленко [20] рассматривается контакт цилиндрического штампа, совершающего возвратно-поступательные движения вдоль своей образующей, с упругим слоем большой толщины. В данной задаче показано, что оператор, соответствующий плоской контактной задаче, является самосопряженным, вполне непрерывным и положительно определенным. Выражения для контактных давлений представлены в виде равномерно сходящихся рядов.

Рассмотрению осесимметричных износоконтактных задач посвящены работы В. М. Александрова и Е. В. Коваленко, Л. А. Галина и И. Г. Горячевой, И. Г. Горячевой [19, 42, 43, 48]. Здесь исследуются различные постановки задач для кольцевого штампа, вращающегося на границе упругого полупространства. В итоге показано, что решение можно представить в виде разложения по ортонормированной системе собственных функций самосопряженного, вполне непрерывного и положительного интегрального оператора.

Рассмотрим еще одну модель изнашивания жестких тел, предложенную А. С. Прониковым [103, 104, 105]. Она заключается в том, что при достаточно развитом износе автор пренебрегает упругими перемещениями в условии контакта, т. е. условие контакта связывает лишь износ с геометрическими параметрами задачи. Использовав такое приближение, В. В. Шульц [125] расчитал форму изношенных поверхностей и получил ряд зависимостей для описания процесса износа.

Одним из направлений исследований характера изнашивания контактирующих тел является дискретный контакт, который представлен в работах И. Г. Горячевой, И. Г. Горячевой и М. Н. Добычина [47, 50], имеющий место при трении неоднородных тел.

При решении нелинейных износоконтактных задач используются численные методы, основанные как на классических, так и на специфических процедурах [73]. Одним из наиболее часто используемых является пошаговый метод. Данный метод использовался при решении контактных задач на износ во многих работах, например, авторов: И. Г. Горячева и И. А. Солдатенков, А. А. Евтушенко и Е. В. Коваленко, И. А. Солдатенков [51, 61, 84, 108].

В работе И. А. Солдатенкова [118] при рассмотрении контактной задачи для композиции полоса-полуплоскость при наличии изнашивания с изменяющейся областью контакта, решение строилось при помощи метода последовательных приближенний. С использованием этого метода было определено контактное давление и скорость роста области контакта.

Существует класс нелинейных износоконтактных задач, решение которых может быть представлено в квадратурах. Данные задачи связаны с рассмотрением изнашивания поверхности движущимся по ней контртелом. Так, например, в работах И. А. Солдатенкова [116, 117] предполагается, что распределение контактного давления постоянно во времени. Контактное давление находится из линейного условия контакта.

Одним из подходов для решения задач при наличии трения и сцепления в зоне контакта является вариационный подход. Основой данного метода является изучение соприкосновения системы деформируемых тел как системы с односторонними связями. В работе А. С. Кравчука [95] рассматривается задача о нахождении напряженно-деформируемого состояния линейно упругого тела, занимающего область с границей. Причем граница состоит из трех частей. На одной из них граничные условия заданы в перемещениях, на другой в усилиях, а точки третьей части границы могут входить в соприкосновение со штампом. Для перехода к вариационной постановке задачи используется принцип возможных скоростей. В итоге получено квазивариационное неравенство. Для решения данного неравенства предлагается итерационный метод. Доказательство того, что последовательность приближенных решений, определяемая итерационным процессом, сходящаяся и её предел — решение вариационного неравенства представлено в [94]. Обратный переход от квазивариационного неравенства к локальной постановке выполнен в работе [94].

Одной из постановок задач с учетом износа является расчет изнашивания поверхности при наличии поверхностного слоя — тонкого мягкого покрытия. В большинстве случаев механические характеристики таких слоев описываются моделью Винклера. Для данной модели характерна пропорциональность упругого перемещения некоторой степени контактного давления. Этот подход использовали в своих работах В. М. Александров, В. М. Александров и Е. В. Коваленко, М. А. Галахов и П. П. Усов, И. Г. Горячева и И. А. Солдатенков, Е. В. Коваленко и М. И. Теплый, И. А. Солдатенков [2, 21, 23, 39, 51, 85, 86, 112].

Если слой представляет собой тонкое покрытие постоянной толщины, то его осадка пропорциональна произведению контактного давления и начальной толщины слоя [27]. Это выражение для изнашиваемого покрытия можно использовать лишь на начальной стадии процесса износа, когда изменением его толщины можно пренебречь. Для сильно изношенного покрытия используют модифицированное выражение для осадки. В нем заменяют начальную толщину слоя на разницу между начальной толщиной покрытия и величиной линейного износа. Обоснование данного выражения представлено в [115].

На практике задачу о передаче нагрузки на тела через покрытия решают исследуя деформацию плит или пластин, лежащих на линейно-деформируемом основании (см. работу Б. А. Пелех, А. В. Максимчук, М. М. Коровайчук [99]). Поскольку адекватно описать реальные явления с помощью классического аппарата невозможно, то возникла проблема уточнения существующих теорий и создание новых. На сегодняшний день теории по исследованию контактных задач для тел с покрытиями можно подразделить на три направления.

Первое направление — направление, которое представляет собой прикладные теории, опирающиеся на упрощающие предположения.

Второе направление — теория пластин, которая основывается на аппроксимации решений основных теорий упругости. В частности аппроксимируется вектор перемещений суммой произведений компонент вектора перемещения и системой полиномов Лежандра. Для большинства задач данный метод приводит к громоздким формулам (см. Б. А. Пелех, А. В. Максимчук, И. М. Коровайчук [99]).

И последнее направление, на сегодняшний день, являющееся основным — теории, построенные путем интегрирования основных уравнений теории упругости. Основой этого метода является то, что основные уравнения выводятся при помощи асимптотического подхода.

При использовании данного подхода к точному решению первой основной задачи теории упругости для слоя Е. В. Коваленко в своих работах [79, 80, 83] получил уточненные уравнения, описывающие напряженно-деформированное состояние упругих покрытий, которые одновременно учитывают как их продольные и поперечные деформации растяжения и сдвига, так и деформации поперечного изгиба и сжатия.

При решении контактной задачи о качении упругого цилиндра по вязкоупругому слою, сцепленному с упругим основанием в работе И. Г. Горячевой, А. П. Горячева, Ф. Садеш [49] были использованы аналитические методы. При описании механических свойств использовалась модель Максвелла.

Решение осесимметричных контактных задач для неоднородно-стареющих вязкоупругих слоистых оснований приведено в работе А. В. Манжирова [97]. Для их решения был использован метод разделения переменных, который позволил построить разложения для основных характеристик контактного взаимодействия при произвольно меняющейся силе, действующей на штамп.

В работе В. М. Александрова и Е. В. Коваленко [22] при рассмотрении плоской задачи о взаимодействии линейнодеформируемого основания общего типа, армированного по границе покрытием, с бесконечным цилиндрическим штампом, движущимся вдоль своей образующей, член, зависящий от износа, был представлен, как произведение коэффициента износа, некоторой степени средней скорости износа и некоторой степени контактного давления. При решении использовался алгоритм разделения переменных. Для построения главного члена асимптотики решения уравнения применялся метод сращиваемых асимптотических разложений. Было получено интегральное уравнение относительно погранслоя. Точное решение этого уравнения представлено в [24, 78].

В. М. Александровым и Ю. Н. Пошовкиным в [28] была решена плоская контактная задача о вдавливании без трения полосового в плане штампа в поверхность линейно-деформируемого основания, армированную тонким упругим покрытием переменной толщины. Задача была сведена к интегральному уравнению Фредгольма второго рода. Для его решения использовался метод сплайн-функций в сочетании с методом многочленов. Простанственная задача была решена Н. В. Генераловой и Е. В. Коваленко [45], но при использовании проекционного метода Бубнова-Галеркина.

Ряд интересных подходов к решению смешанных задач для тел с покрытиями содержится в монографии В. Л. Рвачева и В. С. Проценко [107]. Главное внимание обращено на влияние геометрических факторов на характер распределения напряжений в контактирующих телах. Был разработан новый метод решения контактных задач — метод^{-функций,} позволяющий находить приближенные решения для тел конечных размеров с практически произвольной геометрией.

Одной из фундаментальных работ является монография Г. Я. Попова [102]. Данная монография посвящена статическим проблемам определения упругих напряжений возле концентраторов специального вида. Разработан единый подход, который заключается в сведении рассматриваемых задач с помощью метода матриц влияния и обобщенного метода интегральных преобразований к интегральным уравнениям, и решении последних методом ортогональных многочленов.

При рассмотрении контактных задач на износ очень важно учитывать такой фактор, как тепловыделение от трения. Основоположником такого рода контактных задач также является М. В. Коровчинский, который сформулировал и поставил нелинейную контактную задачу термоупругости с учётом тепловыделения от трения, а также привел данную задачу к интегро-дифференциальным или интегральным уравнениям. В работах [88]-[92] он точно поставил и исследовал решение частных случаев при больших и малых числах Пекле. Эти результаты в последствии были использованы и учтены в работе Д. В. Грилицкого и Я. М. Кизымы и обзорных монографиях [54, 127, 128].

В работе И. К. Лифанова и А. В. Саакяна [96] был рассмотрен идеальный тепловой контакт при вдавливании равномерно движущегося штампа в упругую полуплоскость. Сила трения была связана с контактным давлением законом Амонтона-Кулона. Задача была сведена к системе сингулярных интегральных уравнений относительно контактного давления и теплового потока. При решении использовался численный метод.

Случай неидеального теплового контакта для данной задачи был рассмотрен в работах Д. В. Грилицкого и В. П. Барана, Я. С. Подстригая и Ю. М. Коляно [53, 101]. Обобщенная постановка этой задачи, включающая в себя наличие тонкого слоя между контактирующими телами, с отличительными от них теплофизическими свойствами была рассмотрена А. А. Евтушенко, О. М. Уханской [69].

В работе И. И. Воровича, Д. А. Пожарского, М. И. Чебакова [37], был рассмотрен слой относительно большой величины, жестко защемленный по основанию. Данная задача является обобщением задачи И. К. Лифанова и А. В. Саакяна [96]. Здесь они предположили линейную зависимость коэффициента трения от температуры в области контакта. В результате решения этой задачи было получено объяснение лавинообразному износу всевозможных деталей механизмов машин, таких как поршневые кольца, причиной износа которых является перегрев.

В работе Д. В. Грилицкого, В. И. Паука [57] была рассмотрена плоская стационарная контактная задача термоупругости при наличии тепловыделения от трения, возникающего при движении бесконечного цилиндрического штампа по поверхности упругого полупространства вдоль своей образующей. Задача свелась к системе интегральных уравнений относительно температуры и тепловых потоков. Решение было получено численно.

В работе М. Б. Генералова, В. А. Кудрявцева, В. 3. Партона [44] была рассмотрена осесимметричная контактная задача термоупругости для двух полу бесконечных тел, одно из которых вращается вокруг оси симметрии с постоянной угловой скоростью. В итоге из разрешающей системы парных интегральных уравнений удалось определить напряженное состояние контактирующих элементов и температурное поле. Д. В. Грилицкий, Р. Д. Кульчицкий-Жигайло в [55] рассмотрели предыдущую задачу при условии, что теплообмен происходит по закону Ньютона, а тепловой контакт — неидеальный. Результатом решения задачи в такой постановке стало явление скачка температуры в области контакта, который уменьшается с ростом коэффициента контактной термопроводимости, если контактирующие тела изготовлены из материалов с различными физико-механическими свойствами. А также при неограниченном увеличении действующей силы установлено существование предельной величины радиуса зоны контакта, которая определяется угловой скоростью.

Динамика вышеназванного явления была рассмотрена в работе А. А. Евтушенко и В. Д. Кульчицкого — Жигайло [65].

Во многих работах при постановке смешанных задач с неидеальным тепловым контактом термосопротивление считалось постоянной величиной, хотя это не всегда так (см. Ю. П. Шлыков, Е. А. Ганин, С. Н. Царевский [123]). Данный недочет был исправлен в работе А. А. Евтушенко, Е. В. Коваленко [63]. При рассмотрении задачи о взаимодействии двух полубесконечных нагретых тел, они предположили обратную пропорциональность термосопротивления контактному давлению в области контакта. Другую зависимость при решении осесимметричной задачи термоупругости рассмотрели А. А. Евтушенко, Е. В. Коваленко, Р. Д. Кульчицкий-Жигайло [64]. Они предположили зависимость коэффициентов теплопроводности и линейного расширения от температуры. Было построено приближенное решение и рассмотрен частный случай при постоянных теплофизических свойствах материалов, который совпал с известными результатами.

В работе А. А. Евтушенко и В. И. Паука [66] изучается плоская нестационарная задача о взаимодействии деформируемого полупространства и упругого бесконечного цилиндрического штампа при наличии тепловыделения за счет трения. Задача была сведена к системе интегральных уравнений относительно контактного давления и тепловых потоков. Для решения данной системы был разработан численный алгоритм.

В работе А. А. Евтушенко и О. М. Уханской [62] исследуется перераспределение контактного давления от действия тепловой энергии, образующейся при скольжении двух упругих изотропных тел. Пластическая прочность представляется как результат сложения силовой и температурной составляющих тензора напряжений. Разработана методика контроля пластических деформаций, связанных с износом тормозов.

Разбиение смешанной задачи термоупругости с учетом тепловыделения от трения на смешанные задачи теплопроводности и износоконтактные задачи удалось в работе В. М. Александрова, Е. В. Коваленко [26] и В. М. Александрова [1] при рассмотрении плоской и осесимметричной задачи теории упругости для шероховатого слоя большой толщины. Авторами был введен коэффициент разделения потоков тепла. Обобщенная постановка задачи [26] была рассмотрена в работе Д. В. Грилицкого и В. И. Паука [56]. Здесь рассматривалась зависимость коэффициента трения от давления, температуры, скорости скольжения при неидеальном тепловом контакте и степенном законе износа. Решение строилось методом последовательных приближений.

В работе А. А. Евтушенко, Ю. А. Пырьева [67] построено решение одномерной задачи фрикционного контакта с учетом разогрева от действия сил трения при наличии износа. Для данной модели определены условия возникновения термосиловой неустойчивости. Здесь были получены как частные случаи результаты работ В. М. Александрова и Г. К. Аннакуловой [8, 10].

2. В наше время актуальна проблема износа подшипников скольжения, которые находят применение во многочисленных областях машиностроения. Теоретической основой для расчета на прочность элементов соединений и деталей механизмов является решение контактных задач. Первую попытку решения контактной задачи для тел ограниченных цилиндрическими поверхностями предпринял Герц. Но его решение не приемлемо для подшипников скольжения, поскольку важное значение для практики имеют решения задач для случаев, когда область контакта соизмерима с радиусами кривизны поверхности контактирующих тел, что противоречит предположению Герца о малости области контакта.

Решение Герца было обобщено И. Я. Штаерманом [124] при рассмотрении задачи о внутреннем контакте упругих тел, ограниченных цилиндрическими поверхностями близких радиусов, без учета трения.

Основные результаты в исследовании и решении контактных задач для областей с круговыми границами были получены в 60-е годы. В этом направлении работали Д. В. Грилицкий, А. И. Каландия, В. В. Панасюк, М. П. Шереметьев [71, 72, 98].

В монографии М. И. Теплого [119] изложены общие приемы решения контактных задач для тел с круговыми областями. Здесь впервые даны решения задач о распределении напряжений в подвижных и неподвижных сопряжениях цилиндрических тел при действии на поверхности контакта кулоновских сил трения, а также дано приложение методов теории упругости при исследовании напряженно-деформируемого состояния подшипниковых узлов.

В большинстве случаев при рассмотрении износоконтактной задачи для подшипников используют модель, в которой происходит изнашивание недефор-мируемым валом тонкого винклеровского кольца, зажатого в жесткую обойму (см. работы В. М. Александрова и Е. В. Коваленко, М. А. Галахова и П. П. Усова, Е. В. Коваленко, И. А. Солдатенков [21, 25, 39, 82, 108, 109]). Такая модель была рассмотрена Е. В. Коваленко в работе [81]. Задача была сведена к безразмерной системе уравнений и построено асимптотическое решение. Отталкиваясь от этой работы И. А. Солдатенков доказал [108, 109], что контактное давление с достаточной точностью, необходимой для инженерной практики, можно аппроксимировать более простым выражением. Полученные выражения остаются верными даже при учете изменения толщины покрытия по длине области контакта в процессе его изнашивания [110].

В продолжении этого факта, Ю. Н. Дроздов и Е. В. Коваленко [60] развили метод расчета радиальных подшипников скольжения. Основой метода является асимптотический подход к решению износоконтактной задачи, при помощи которого находятся значения комплексов Фг-, а также производится построение безразмерных функций, и применение формулы для определения ресурса исследуемого узла трения. Срок эксплуатации большинства узлов трения увеличивается, если установить в них двухслойные противовибрационные подшипники. В работе И. Н. Черского, О. Б. Богатина, Л. Г. Сокольникова [122] рассматривается процесс износа втулки такого же подшипника. Уравнение задачи удается представить в том же виде, что и для однородного покрытия. Аналогичный результат был получен И. А. Солдатенковым [114] для покрытия с переменными по глубине упругими и износостойкими свойствами.

В работе П. Г. Иваночкина и Е. В. Коваленко [70] рассматривалась нелинейная износоконтактная задача для радиального подшипника скольжения. Износ подшипника скольжения моделировался при помощи решения контактной задачи об изнашивании недеформируемым валом тонкого двухслойного винклеровского кольца в случае его посадки с преднатягом в жесткую обойму. Контактное давление представлено как асимптотическое разложение, представляющее сумму вырожденного и погранслойного решения. Далее для полученной системы уравнений был использован метод Вишика-Люстерника, обобщенный на случай нелинейных уравнений. Исходные уравнения с нелинейным законом изнашивания удалось линеаризовать, произведя замену контактного давления его средним значением.

В работе В. М. Александрова, А. А. Шматковой [31] дано решение задачи о равновесии упругого круглого диска и упругой плоскости с круговым отверстием. Затем, на основании решения данных задач, осуществлена постановка контактной задачи для подшипника скольжения. Для решения полученного интегрального уравнения первого рода относительно контактного давления применяется специально развитый вариант метода Мультоппа — Каландия. В продолжении работы [31] те же авторы рассматривают задачи о равновесии упругого круглого диска и упругой плоскости с круговым отверстием, когда их поверхности имеют тонкие усиливающие покрытия [32]. Для приближенного решения интегрального уравнения относительно контактного давления использован ранее развитый метод Мультоппа — Каландия. Ранее в работе В. М. Александрова и С. М. Мхитаряна [27] была рассмотрена аналогичная задача, но при её решении использовался метод, основанный на интегральном соотношении для многочленов Чебышева первого рода.

Построение простых асимптотически точных расчетных формул для относительно тонкого цилиндрического слоя посвящена работа В. М. Александрова и М. И. Чебакова [30], в которой была рассмотрена плоская контактная задача теории упругости о взаимодействии абсолютно жесткого цилиндра с внутренней поверхностью тонкого цилиндрического слоя, внешняя поверхность которого закреплена.

В своей работе В. А. Карпенко [75] при рассмотрении задачи о вдавливании абсолютно жесткого осесимметричного сферического штампа свел задачу к решению интегрального уравнения. Решение же данного уравнения было построено с помощью асимптотического метода, разработанного В. М. Александровым. Задача была решена как для штампов с угловыми точками, так и для штампов, не имеющих угловых точек. Было также показано, что при больших областях контакта использование решения Герца, для данной задачи, приводит к существенным ошибкам.

В работе В. М. Александрова и Б. Л. Ромалиса [29] рассматриваются контактные задачи для упругих тел сложной геометрии. В частности, рассмотрена задача о взаимодействии упругого цилиндра с упругим бандажем. Задача была сведена к интегральному уравнению относительно контактного давления. Для нахождения решения данного уравнения были использованы асимптотические методы «болыпихпи «малых» А.

Одним из наиболее распространенных методов является использование спектральных свойств интегральных операторов. Так И. А. Солдатенков рассмотрел задачу об изнашивании упругого разрезанного кольца, вложенного в цилиндр [ИЗ]. Решение данной задачи было использовано для анализа закономерностей изнашивания поршневых колец.

И. А. Солдатенков в своей работе [111] рассмотрел задачу о расчете изнашивания покрытия в подшипнике скольжения при случайном нагружении. Методика расчета была основана на стохастическом взаимодействии, т. е. когда набор ш параметров взаимодействия является случайным с функцией плотности вероятности р.

В работе В. И. Колесникова и П. Г. Иваночкина [87] представлен расчетно-экспериментальный метод оценки долговечности двухслойного вкладыша радиального подшипника скольжения. В качестве модели подшипникового узла использовали тонкое упругое двухслойное кольцо, запресованное с натягом в недеформируемую обойму. Порядок расчета по данной методике следующий. Сначала определяют начальный угол контакта, далее находят предельный угол контакта, полагая, что предельный износ равен толщине антифрикционного слоя. И заключающий этап — определение предельной долговечности. Показано, что предварительный натяг существенно влияет на распределение контактных давлений, способствуя снижению максимального давления и увеличению зоны контакта. Увеличение жесткости подложки или уменьшение толщины антифрикционного слоя приводят к снижению максимального контактного давления и уменьшению зоны контакта. Приведенный анализ позволяет ставить вопрос о подборе оптимальных, с точки зрения нагрузочной способности и износа, вкладышей подшипника скольжения.

В работе Е. В. Коваленко и А. А. Евтушенко [84] было построено решение контактной задачи термоупругости об износе тонкого вкладыша подшипника скольжения с учетом тепловыделения от трения. Авторы предположили, что коэффициент трения скольжения является линейной функцией температуры, а в процессе работы фрикционного узла область контакта вала и втулки описывается монотонно возрастающей функцией. Была исследована эволюция во времени размеров области контакта и величины контактного давления.

В работе [61] был изучен в условиях предыдущей задачи случай износа оплавлением полимерного вкладыша рассматриваемого трибосопряжения. Найдена зависимость критической скорости вращения вала, при которой начинается процесс оплавления. С использованием по времени пошагового метода решения, получены формулы для основных эксплутационных характеристик подшипника.

Те же авторы в своей работе [62] рассмотрели задачу о взаимодействии фрикционного теплообразования и износа на нестационарном контакте скольжения. В предположении квадратичного изменения нормальных перемещений по радиальной координате было получено решение осесимметричной контактной задачи для полупространства при учете нестационарного тепловыделения от трения и износа. Были построены асимптотические решения при малых и больших значениях времени. Предложенные математические методы позволили изучить влияние на размеры области контакта двух противоположных по характеру процессов — фрикционного теплообразования и износа.

3. В первой главе данной диссертации рассматривается задача о взаимодействии тел с покрытиями при неидеальном тепловом контакте при износе, тепловыделении. В § 1 в качестве коэффициента трения предложена нелинейная функция. С использованием этой формулы рассмотрено явление износа покрытий при тепловыделении от трения в условиях неидеального теплового контакта. Предложена формула, описывающая зависимость контактного термосопротивления от давления. Определен ресурс трибосопряжения, найдены условие термосиловой устойчивости процесса износа покрытий и условие отсутствия катастрофического износа.

4. Вторая глава посвящена задаче о взаимодействии тел с покрытиями при износе, тепловыделении и учете зависимости коэффициента трения от температуры. Предложено линейное выражение для зависимости коэффициента трения от контактных температур покрытий. Определены связь контактных температур с контактным давлением, ресурс трибосопряжения, зависимости контактного давления и контактных температур от времени износа.

5. В третьей главе рассматриваются термоупругие контактные задачи для цилиндрического и сферического подшипников скольжения. Предполагается, что подшипники нагреваются, вследствие генерации тепла в области контакта от сил кулоновского трения. Но при определении контактных давлений эти силы не учитываются. Путем развития асимптотического метода строятся так называемые вырожденные решения. Данный подход дает возможность получить окончательные результаты в виде простых формул. В сходной постановке термоупругая контактная задача для цилиндрического подшипника скольжения с деформируемым вкладышем рассматривалась в [12].

6. В четвертой главе дается способ определения величины Ш1, которая оставалась неизвестной в формуле для средней контактной температуры вала цилиндрического подшипника. Для нахождения этой величины необходимо сначала решить вспомогательную задачу. Вспомогательную задачу удается свести к интегральному уравнению первого рода. Ядро интегрального уравнения представляется в форме интеграла по цилиндрическим функциям мнимого аргумента. Далее ядро представим в форме двойного ряда по многочленам Лежандра. Решение интегрального уравнения будем искать в виде ряда по полиномам Лежандра. В итоге получаем квазивполнерегулярную систему и решаем её методом редукции. Система редуцировалась до пяти уравнений.

7. В пятой главе дается способ определения величины ае^, которая оставалась неизвестной в формуле для средней контактной температуры шара сферического подшипника. Аналогично задаче для цилиндрического подшипника решается вспомогательная задача. Вспомогательную задачу удается свести к интегральному уравнению первого рода. Ядро интегрального уравнения представляется в форме ряда по многочленам Лежандра. Далее ядро представим в виде двойного ряда по многочленам Лежандра. Решение интегрального уравнения будем искать в виде ряда по полиномам Лежандра. В итоге получаем квазивполнерегулярную систему и решаем её методом редукции. Система редуцировалась до шести уравнений.

Пользуясь случаем, выражаю глубокую благодарность своему научному руководителю профессору В. М. Александрову за многогранную поддержку и непрерывное внимание к работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе поставлены и решены контактные задачи с учетом трения, износа и тепловыделения от трения для тел с тонкими мягкими покрытиями, а также термоупругие контактные задачи для цилиндрического и сферического подшипников скольжения.

1. В контактных задачах с учетом трения, износа и тепловыделения от трения для тел с тонкими покрытиями максимально упрощена схема контакта с целью возможно большего учета явлений, протекающих в области контакта. В этих задачах развивается приближенный подход, основанный на «принципе микроскопа». Предложена формула для описания нелинейного трения. С использованием этой формулы рассмотрено явление износа покрытий при тепловыделении от трения в условиях неидеального теплового контакта. Предложена формула, описывающая зависимость контактного термосопротивления от давления. Определен ресурс трибосопряжения, найдены условие термосиловой устойчивости процесса износа покрытий и условие отсутствия катастрофического износа. Предложено линейное выражение для зависимости коэффициента трения от контактных температур покрытий. Предложена формула зависимости контактного термосопротивления от контактного давления. С использованием всего этого рассмотрено явление изнашивания покрытий при тепловыделении от трения в условиях неидеального теплового контакта. Определены связь контактных температур с контактным давлением, ресурс трибосопряжения, зависимости контактного давления и контактных температур от времени износа.

2. Изучаются термоупругие контактные задачи для цилиндрического и сферического подшипников скольжения, и предполагается, что подшипники нагреваются вследствие генерации тепла в области контакта от сил трения, хотя сами силы трения не учитываются при определении контактных давлений. Вводятся безразмерные геометрические параметры ?, Л и строятся вырожденные (в асимптотическом смысле) решения. Это дает возможность представить окончательные результаты в виде простых формул, пригодных для инженерного использования.

3. При изучении термоупругих контакных задач для цилиндрического и сферического подшипников скольжения были даны формулы для определения средней температуры вала (шара) цилиндрического и сферического подшипников, в которых оставались неизвестными коэффициенты ае и ае'. Для их определения в обоих случаях рассматривается вспомогательная задача, которая сводится к интегральному уравнению первого рода. Ядра интегральных уравнений представляются в форме двойных рядов по многочленам Лежандра. Решение ищется в виде ряда по полиномам Лежандра, что приводит к бесконечной алгебраической системе второго рода, которая решается методом редукции. В случае цилиндрического подшипника система редуцировалась до пяти уравнений. В случае сферического подшипника — до шести уравнений.

Основное содержание диссертации изложено в работах [14] - [18],[58]. Александровым В. М. дана постановка задач и указаны методы их решения, реализация всех задач принадлежит соискателю.