Дисипативні властивості фрикційного контакту та їхній вплив на фретингостійкість трибосистем
Міністерство освіти і науки України
Хмельницький національний університет
Кирилков Володимир Андрійович
УДК 621.891
дисипативнІ властивості фрикційного контакту
та Їхній вплив на фретингостійкість трибосистем
Спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах
Автореферат
дисертації на здобуття
наукового ступеня
кандидата технічних наук
Хмельницький – 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у Хмельницькому національному університеті Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Шевеля Валерій Васильович
Хмельницький національний університет,
професор кафедри фізики
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Кузьменко Анатолій Григорович
Хмельницький національний університет,
завідувач кафедри зносостійкості і надійності машин
кандидат технічних наук, ст. наук. співробітник
Краля Віталій Олексійович
Національний авіаційний університет (м. Київ),
доцент кафедри технологій відновлення авіаційної техніки
Захист відбудеться «13» червня 2008 р. о 10:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 70.052.02 у Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й навчальний корпус, зал засідань.
З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Кам’янецька, 110/1.
Автореферат розісланий « 7 » травня 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук, професор Калда Г. С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Довговічність та надійність машин в значній мірі пов’язана з довговічністю та надійністю роботи в умовах фретингу трибосполучень. Як відомо, в процесі динамічного контактування твердих тіл, що має місце при терті, відбувається безперервне підведення до трибосистеми механічної енергії та її розсіювання (дисипація), яке здійснюється як за захисними, так і за ушкоджуючими механізмами. Чим більша кількість енергії розсіюється за захисними механізмами, тим вища зносостійкість пари тертя. Відповідно, у збільшенні розсіювання підведеної механічної енергії за захисними механізмами фактично закладено ресурс підвищення працездатності вузлів тертя.
Значна частина дисипативних процесів пов’язана з проявом контактуючими матеріалами в’язко-пружних властивостей. Певні механізми внутрішнього тертя, що реалізуються при цьому, сприяють релаксації пікових контактних напружень і необоротному розсіюванню механічної енергії з перетворенням її в теплоту. Велика роль в розсіюванні підведеної механічної енергії належить також мастильним матеріалам. Взаємодія активованого тертям металу з компонентами середовища викликає трибохімічні дисипативні процеси з утворенням хімічних сполук, які також впливають на зносостійкість вузлів тертя. Таким чином, вивчення закономірностей дисипації механічної енергії, яка визначається реологічними властивостями як матеріалу пари тертя, так і мастильного матеріалу, та її зв’язку з фретингостійкістю має важливе значення для вирішення актуальної проблеми підвищення працездатності трибосистем.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до державних наукових і науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки «Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі», затверджених постановою Кабінету Міністрів України від 24.12.2001 № 171, сформульованого на основі Закону України «Про пріоритетні напрямки розвитку науки» від 11.07.2001 № 2623-ІІІ пріоритетного напрямку «Машинобудування і приладобудування як основа високотехнологічного відновлення усіх галузей», плану проведення науково-дослідних робіт Хмельницького національного університету в рамках держбюджетної теми № 5Б-2008 «Внутрішнє тертя фрикційного контакту і керування динамічною напруженістю та зносостійкістю механічних трибосистем» (№ ДР 0108U001278) та плану держбюджетних науково-дослідних робіт кафедри безпеки життєдіяльності.
Мета і завдання дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є вивчення закономірностей впливу дисипативних властивостей фрикційного контакту на фретингостійкість трибосистем і розробка на їх основі рекомендацій з вибору реологічних параметрів, що забезпечують підвищення працездатності пари тертя.
Відповідно до мети були поставлені та розв’язані наступні завдання:
– розробити методику дослідження дисипативних властивостей трибосполучення, засновану на збудженні і аналізі згасаючих крутильних коливань у контакті в режимі попереднього зміщення;
– дослідити закономірності дисипативних явищ в умовах реверсивного попереднього зміщення;
– вивчити зміну дисипативних властивостей контакту на ранніх стадіях низькоамплітудного фретингу;
– вивчити розвиток фретинг-корозії та оцінити вплив релаксаційних явищ на фретингостійкість трибосистеми в умовах граничного тертя;
– обґрунтувати принципи забезпечення фретингостійкості контакту пластичними мастильними матеріалами.
Об’єктом дослідження є фрикційний контакт, працюючий в умовах фретинг-корозії.
Предмет дослідження – дисипативні властивості та фретингостійкість контакту в умовах без мащення та мащення мастильними матеріалами.
Методи дослідження. В процесі експериментальних досліджень проводились: оцінка дисипативних властивостей контакту методом крутильного маятника, вимірювання коефіцієнта тертя в процесі фретингування із застосуванням методу тензометрії. Параметри шорсткості контактуючих поверхонь контролювались за допомогою профілографа-профілометра мод. «Калибр-ВЭИ». Також застосовувалась спеціальна випробувальна апаратура для визначення фізико-механічних властивостей матеріалу зразків. В теоретичних дослідженнях при побудові і розв’язанні математичних моделей використовувались методи теоретичної механіки і реології.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Розроблена методика оцінки дисипативних властивостей дозволила вперше дослідити реологічні явища при фретинг-корозії металів у зв’язку із трибологічними характеристиками вузла тертя.
2. Встановлено закономірності розсіювання механічної енергії в умовах реверсивного попереднього зміщення з урахуванням впливу амплітуди коливань, нормального навантаження, контактної температури, термообробки сталі, мікрошорсткості контактуючих поверхонь і тривалості контактування.
3. Показано, що логарифмічний декремент коливань, що є показником динамічних в’язко-пружних властивостей контакту, може служити мірою динамічної напруженості сполучених поверхонь, ступеня їхнього ушкодження і стадійності фретинг-процесу.
4. Встановлено, що граничні мастильні шари сприяють істотному подовженню інкубаційного періоду фретинг-процесу. При певних температурно-швидкісних режимах граничного тертя релаксаційне внутрішнє тертя металевої підкладки може виступати одним із факторів, які контролюють температурну та протифретингову стійкість мастильного шару.
5. Встановлено, що показники фретингостійкості пластичних мастильних матеріалів (коефіцієнт тертя та інкубаційний період) покращуються з підвищенням їхньої демпфірувальної здатності і зі зниженням опору зсуву.
Практичне значення одержаних результатів.
1. Проведено експериментальну оцінку фретингостійкості ряду технічних пластичних мастильних матеріалів з урахуванням впливу добавок, що мають пластинчасто-шарувату структуру.
2. На основі встановленого в ході досліджень взаємозв’язку між дисипативними властивостями мастильних матеріалів і їхньою фретингостійкістю запропоновано метод порівняльної експрес-оцінки антифретингової здатності пластичних мастильних матеріалів.
Впровадження результатів досліджень. Розроблений метод порівняльної експрес-оцінки антифретингової здатності пластичних мастильних матеріалів впроваджено у ВАТ «АК Адвіс» і на Волочиському машинобудівному заводі ВАТ «Мотор Січ». Метод використовувався при виборі пластичних мастильних матеріалів для змащування з’єднань деталей комбайну «Марал 125 - Поділля» та пересувної електростанції ПАЕС-2500.
Особистий внесок здобувача. Основні результати експериментальних та теоретичних досліджень отримані автором самостійно. Постановка завдань, вибір методів їхнього розв’язання виконані разом з науковим керівником. Особисто автором розроблено методику оцінки механічних втрат у фрикційному контакті [1], модернізовано установку для дослідження дисипативних властивостей контакту [2, 4], виконано експериментальні дослідження, обробку та аналіз усіх отриманих даних [1-10], сформульовано висновки за результатами досліджень впливу мастильних матеріалів на розвиток фретинг-пошкоджень [4, 6].
Апробація результатів роботи. Основні положення роботи доповідались і обговорювались на міжнародних науково-практичних конференціях «Динаміка наукових досліджень» та «Наука і освіта» (Дніпропетровськ, 2003-2005), на 7-му Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 2005), на міжнародних конференціях «Вібрації в техніці та технологіях» (Полтава, 2005), «Теоретичні та експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування» (Луцьк, 2007), «Ольвійський форум 2007: стратегії України в геополітичному просторі» (Ялта, 2007) та на науково-технічних конференціях викладачів Хмельницького національного університету (Хмельницький, 2006-2008).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей та 4 тези конференцій.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти глав, висновків, списку використаних джерел із 152 найменувань і додатків. Повний обсяг роботи складає 157 сторінок, що містять 50 рисунків та 2 додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ до дисертації розкриває важливість обраної проблеми, містить обґрунтування актуальності теми, сформульовану мету та задачі дослідження, відомості про наукову новизну, практичну цінність та впровадження отриманих результатів, апробацію та публікації основних положень роботи.
У першій главі проведено аналіз робіт відомих вітчизняних та закордонних авторів А. В. Верховского, І. В. Крагельского, І. Р. Коняхіна, А. С. Ахматова, Р. Міндліна та інших, які присвячені явищу попереднього зміщення.
Також проаналізовано основні закономірності фретинг-процесу у зв’язку з впливом різних чинників, реології контактної взаємодії та методи підвищення фретингостійкості трибосистем, викладені у роботах Н. Л. Голєго, А. Я. Аляб’єва, В. В. Шевелі, А. В. Рябченкова, Г. Н. Філімонова, В. С. Іванової, В. Н. Степанова, В. І. Похмурського, Л. Т. Балацького, В. В. Ковалевського, С. Г. Костогриза, Г. С. Калди, В. П. Олександренка, Г. Томлінсона, Р. Б. Уотерхауза, Д. Холлідея, В. Хірста та інших дослідників.
Розглянуто основні фактори, що впливають на фретингостійкість трибосистем. Показано суперечливість деяких отриманих залежностей та відсутність однозначного зв’язку, що істотно ускладнює розробку методів та рекомендацій з підвищення фретингостійкості трибосистем. Показано, що незважаючи на серйозні дослідження фретингу, дотепер залишається маловивченим цілий ряд питань.
Встановлено існування взаємозв’язку непружної поведінки металів із пошкоджуваністю. Показано, що виникаючі під час контактної взаємодії дисипативні явища потребують більш глибокого вивчення.
З’ясовано, що застосування мастильних матеріалів може розглядатися як метод попередження та гальмування розвитку фретинг-корозії. Внаслідок низької швидкості ковзання та реверсивності руху при фретингу масла нездатні ефективно розділяти контактуючі поверхні. Застосування замість масел пластичних мастильних матеріалів полегшує розв’язання вказаної проблеми. В той же час лишається невідомим: які з їхніх показників є визначальними при виборі вказаних матеріалів.
З урахуванням викладеного вище визначено мету та завдання дослідження, а аналіз робіт з попереднього зміщення дозволив дійти висновку, що вивчення характеристик збуджених згасаючих коливань у фрикційному контакті в умовах попереднього зміщення може виступати як достатньо ефективний метод дослідження дисипативних явищ у трибосполученні.
У другій главі описано експериментальні установки та методику проведення досліджень.
Дослідження дисипативних властивостей контакту виконувалось на спеціальній установці – маятниковому триборелаксаторі, виготовленому на базі інструментального мікроскопа БМИ-1, методом збудження вільних згасаючих крутильних коливань у контакті зразків в умовах попереднього зміщення.
Робоча частина триборелаксатора (рис. 1, а) являє собою крутильний маятник, який включає в себе досліджувану пару зразків. Контакт зразків здійснюється за схемою «площина (нижній зразок) – торець втулки (верхній зразок)». Верхній зразок 1 досліджуваної пари нерухомо закріплюється у тримачеві установки, нижній зразок 2 – на інерційній деталі (маятникові) 3 і спирається на опору 4 у вигляді голки. Зразки притискаються один до одного нормальною силою Р заданої величини. Пропусканням через котушку 6 короткого імпульсу постійного струму маятник приводиться у крутильний коливальний рух в горизонтальній площині. Величина струму встановлюється такою, щоб у процесі здійснення коливань досліджуваний контакт перебував у режимі попереднього зміщення. Виникаючі при цьому крутильні коливання маятника носять згасаючий характер, що визначається переважно дисипативними властивостями досліджуваного контакту.
Коливання
маятника реєструються ємнісним датчиком
переміщень 5, сигнал з якого подається
на два електронних частотоміри. Один
із них вимірює частоту коливань маятника
ν, квадрат якої характеризує тангенціальну
жорсткість досліджуваного контакту;
інший – кількість коливань маятника
N>e>
за проміжок часу, протягом якого початкова
амплітуда коливань зменшується в e
разів (e
2,72).
Дисипативні властивості контакту
оцінювалися величиною логарифмічного
декременту коливань, що розраховувався
за формулою:
,
(1)
де A>0>
− початкова величина амплітуди коливань;
− амплітуда N>e>-го
коливання.
При подачі на котушку 6 коротких періодичних імпульсів струму для забезпечення поповнення втрат енергії маятника за цикл із частотою, рівною частоті власних коливань маятника, в установці реалізується нанесення пошкоджень на контактуючі поверхні зразків у режимі попереднього зміщення. Це дозволяє досліджувати еволюцію дисипативних властивостей контакту в процесі фретингу з частковим проковзуванням.
При модернізації
триборелаксатор було додатково оснащено
спеціальною приставкою для нанесення
пошкоджень на контактуючі поверхні
зразків при фретингу з повним проковзуванням
та пружинним динамометром для вимірювання
моменту найбільшої сили тертя спокою
.
Для проведення досліджень використовувалися сталеві пари зразків (рис. 1, б). Кільцева площадка контакту мала зовнішній діаметр, рівний 5 мм, і внутрішній, рівний 3 мм. Величина амплітуди коливань визначалася на середньому радіусі контактної площадки.
Розглянуто механізми розсіювання енергії, які діють в коливальній системі триборелаксатора. Показано, що при дослідженні, пов’язаному з дією певного механізму, вимірювання слід проводити в таких умовах, коли внесок у загальне розсіювання за рахунок інших механізмів (фон) був би якомога меншим.
Оскільки вимірюване під час досліджень на триборелаксаторі попереднє зміщення фактично являє собою суму двох складових – попереднього зміщення, обумовленого об’ємною пружною деформацією коливальної системи, та контактного попереднього зміщення, – на основі побудови та розв’язання математичних моделей коливальної системи отримано вираз для визначення початкової амплітуди контактного попереднього зміщення:
,
(2)
де A>02>, ν –початкова величина амплітуди попереднього зміщення, що визначається за показниками датчика переміщень триборелаксатора, та частота коливань маятника триборелаксатора відповідно при випробовуваннях пари зразків; ν>0> – частота коливань маятника при випробовуванні спеціального монолітного зразка (рис. 1, б), форма і розміри якого повторюють зовнішню конфігурацію сполученої пари зразків.
Фретинг-дослідження також здійснювались на установці МФК-1, в якій передбачено контроль основних параметрів, які визначають умови та інтенсивність поверхневого руйнування (сила тертя, питоме навантаження, частота та амплітуда коливань, число циклів навантаження). Досліджувані зразки були виконані у вигляді втулки та суцільного циліндра. Контакт здійснювався по торцях при крутильному коливальному русі втулки відносно нерухомого циліндра.
Третя глава присвячена дослідженням дисипативних властивостей контакту при реверсивному попередньому зміщенні. Досліджувався вплив таких факторів, як початкова амплітуда коливань, нормальний тиск, температура у зоні контакту, структурний стан матеріалу зразків, мікрошорсткість контактуючих поверхонь та тривалість часу контактування.
Встановлено, що при всіх досліджених навантаженнях із збільшенням амплітуди аж до граничного значення [A>0>],> >при якому зсувна сила стає рівною найбільшій силі тертя спокою, енергія, що розсіюється, зростає. Підвищення нормального тиску викликає збільшення граничного значення амплітуди [A>0>].
Для амплітуд, що не перевищують граничних значень, із збільшенням нормального навантаження логарифмічний декремент коливань зменшується (рис. 2, криві 1-5). Це свідчить про зниження дисипативних властивостей контакту внаслідок збільшення його тангенціальної жорстокості в результаті зростання зближення нерівностей та розвитку адгезії. Про підвищення тангенціальної жорстокості контакту із збільшенням нормального навантаження свідчить відповідне зростання квадрата частоти коливань (рис. 2, крива 7). Одночасно виявляється зростання граничних значень логарифмічного декременту коливань (граничної демпфірувальної здатності) [δ] (рис. 2, крива 6), із перевищенням яких починається проковзування, та моменту найбільшої сили тертя (рис. 2, крива 8). Із зростанням тиску також змінюється вид деформації: від пружної до пружно-пластичної. На рис. 2 відповідні області умовно поділені штрих-пунктирною лінією (область А відповідає пружному контакту, область В – пружно-пластичному, область С – умовам проковзування).
Встановлено, що з підвищенням температури відбувається зниження демпфірувальних властивостей контакту. Очевидно, що з огляду на те, що досліджувана сталь є феромагнетиком, варто враховувати температурну залежність декременту, обумовлену магнітомеханічним гістерезисом (магнітопружним згасанням). Відомо, що цей вид втрат, який дає значний внесок у загальний рівень згасання, істотно знижується з підвищенням температури. Крім того, можливий прояв деформаційного старіння, який сприяє зростанню пружності матеріалу. Варто також враховувати, що при термічному розширенні зразків, які формують сполучення, додатково підвищується контактний тиск. Це повинно сприяти зниженню декременту коливань за двома причинами: внаслідок зростання жорсткості контакту, а також через зменшення внеску магнітопружного згасання, що має місце при збільшенні статичних стискаючих напружень.
Встановлено, що зі збільшенням часу контактування спостерігається зменшення логарифмічного декременту коливань. Порівняно крута часова залежність декременту коливань в контакті сталі 45, яка пройшла загартування та відпуск при температурі 200 0С, може бути пояснена високою мікроповзучістю структури, сформованої в процесі термообробки. Відпущена при температурі 400 0С сталь має сильно подрібнену структуру, яка являє собою феритно-цементитну суміш із мілкими цементитними частками, і високу щільність закріплених карбідами дислокацій та характеризується повним розпадом залишкового аустеніту і виходом твердого розчину з перенасиченого стану. Така стабілізація структури сталі веде до різкого зростання її опору мікродеформаціям і зумовлює пологу часову залежність логарифмічного декременту коливань. В результаті високого відпуску відбувається коагуляція цементитних часток, що створює умови, які сприяють підсиленню мікроповзучості і, як наслідок, інтенсивному зниженню логарифмічного декременту коливань високовідпущених зразків.
Показано, що дисипативні властивості контакту залежать від структурного стану сталі, який визначається термічною обробкою (рис. 3). При малих амплітудах найбільше значення логарифмічного декременту коливань мають загартовані зразки, а при великих – високовідпущені.
У вуглецевих та низьколегованих сталях амплітуднозалежне внутрішнє тертя визначається двома основними механізмами: магнітомеханічним та структурно-дислокаційним. У загартованої і низьковідпущеної сталі переважають відносно невисокі структурно-дислокаційні втрати, а магнітопружне згасання майже повністю відсутнє; тому декремент мало залежить від амплітуди. З підвищенням температури відпуску твердість сталі зменшується, що повинно полегшити зминання плям контакту та викликати зниження демпфірувальної здатності контакту. Але з підвищенням температури відпуску і збільшенням амплітуди коливань набагато зростає внесок у загальний рівень втрат магнітопружного згасання, що і обумовлює сильне згасання у контакті.
Встановлено, що зі збільшенням шорсткості, яка відповідає реальним поверхням тертя, амплітудна залежність логарифмічного декременту коливань зростає так, що різниця в здатності до дисипації енергії стає більш вираженою при підвищених амплітудах коливань. В діапазоні досліджених значень параметра шорсткості R>z> з його зростанням відбувається більш глибоке взаємне проникнення виступів контактуючих поверхонь і збільшення деформації локальних об’ємів. У цьому випадку адгезійна складова втрат невелика, а результуючі механічні втрати в основному визначаються гістерезисним (дислокаційним, магнітопружним) і мікропластичним внутрішнім тертям.
У четвертій главі описано дослідження зміни дисипативних властивостей контакту на ранніх стадіях низькоамплітудного фретингу.
Зміна дисипативних властивостей фрикційного контакту контролювалася в процесі двох режимів фретингування. Перший режим відповідав низькоамплітудним вібраціям у номінально нерухомому контакті (режим попереднього зміщення), другий – умовам, при яких відбувалося відносне проковзування зразків з амплітудою 20 мкм. В обох випадках після напрацювання заданої кількості циклів фретингування установка без порушення цілісності сполучення переводилася в режим вимірювання логарифмічного декременту коливань.
Контактне демпфірування в режимі попереднього зміщення визначається переважно двома процесами: знакозмінною пружно-пластичною деформацією (непружністю) найбільш навантажених ділянок різнорівневого дискретного контакту і субмікропроковзуванням на менш стиснутих мікровиступах. Зниження втрат спостерігається вже на початковій стадії фретингу і, очевидно, обумовлено трьома основними причинами: а) збільшенням пружної і зменшенням в’язкої складової деформації плям фактичного контакту при зростанні зближення нерівностей; б) частковим руйнуванням природної окисної плівки та зростанням адгезії ювенільних ділянок; в) зниженням рухливості магнітних доменів.
Результати дослідження зміни дисипативних властивостей контакту в умовах фретингу з повним проковзуванням представлено на рис. 4. Спочатку до певного напрацювання циклів фретингування залежності механічних втрат від амплітуди коливань А>о> поступово знижуються (рис. 4, криві 1-2), а потім знову стають більш вираженими (рис. 4, криві 3-5). Така зміна характеру амплітудних залежностей супроводжується синхронною зміною квадрата частоти коливань ν2 (рис. 4, криві 1'-5') і граничного значення логарифмічного декременту коливань [δ], що відповідає критичній амплітуді [А>о>] попереднього зміщення, при перевищенні якої починається проковзування.
Вказаним вище закономірностям відповідають зміни поточних значень δ при даному значенні А>0>. Приклади таких залежностей наведені на рис. 5 (криві 1-3).
При випробуванні зразків із підвищеною шорсткістю робочої поверхні (рис. 5, крива 5) порошкоподібні продукти фретинг-корозії зосереджуються в западинах, і контакт здійснюється виступами, що викликає спостережуване зростання втрат. На більш гладких поверхнях контакту на першому етапі припрацювання превалює тертя в прошарку металоокисної суміші; причому з підвищенням класу чистоти і зниженням амплітуди фретингу зростає складова тертя кочення по вільних продуктах зношування.
Отримані амплітудні залежності логарифмічного декременту коливань було представлено на основі теорії Гранато і Люкке, згідно якої амплітудна залежність логарифмічного декременту коливань описується виразом:
,
(3)
де ε>0> – відносна амплітуда деформації; С>1> – величина, пропорційна щільності дислокацій; С>2> – величина, обернено пропорційна середній довжині дислокаційних сегментів L>с>.
Залежність
від
представляється рівнянням
,
(4)
яке зображається
в системі координат (
)
прямою, тангенс кута нахилу якої дорівнює
,
а величина
,
що відсікається на вісі ординат, є мірою
щільності дислокацій.
Кожна крива була апроксимована двома перетинними відрізками прямих (рис. 6), точки перетину яких відповідають критичним амплітудам деформації, що визначають перехід від одного механізму розсіювання механічної енергії до іншого. При малих амплітудах коливань (відрізки розташовані праворуч від точок перетину) амплітудні залежності переважно пов’язані з коливаннями відрізків дислокацій, що відірвалися від домішок і закріплені у вузлах дислокаційної сітки, а при більших амплітудах (відрізки ліворуч від точок перетину), імовірно, починають домінувати процеси відриву дислокацій від вузлів сітки і їх переміщення на далекі відстані. В порівнянні з фреттингом у режимі попереднього зміщення фретинг із проковзуванням зрушує критичну амплітуду в область більш низьких деформацій і зменшує нахил прямих, що може бути пов’язано з менш динамічним розмноженням дислокацій, які, до того ж, зберігають достатню рухомість через невисоку ефективність динамічного деформаційного старіння.
Підвищення нормального навантаження зрушує критичну амплітуду в область більш високих значень і збільшує кут нахилу прямих. Це може вказувати на те, що при досить високих амплітудах деформації ε>0> з підвищенням нормального тиску в контактну взаємодію при загальному зростанні площі фактичного контакту втягуються нові, більш глибокі, підповерхневі області, які відрізняються за своєю структурою від шарів, що лежать вище. Головна відмінність, очевидно, полягає у більш високому ступені закріпленості дислокацій домішковими атомами, внаслідок чого скорочується середня довжина дислокаційних сегментів L>с>, підвищується критична амплітуда їхнього відриву і знижується загальний рівень механічних втрат.
У п’ятій главі викладено результати досліджень фретинг-процесу в умовах мащення.
Досліджувався вплив тиску в контакті та товщини граничного мастильного шару стеаринової кислоти на його фретингостійкість в процесі випробувань на триборелаксаторі з фретинг-приставкою.
Кислота розчинялася у бензолі для отримання ряду титрованих розчинів, які потім наносились на ділянку робочої поверхні зразка, що дозволяло сформувати на його поверхні квазітвердий граничний шар, товщина якого визначалась за формулою:
,
(5)
де [с]
– титр розчину, моль/л;
– об’єм краплі, нанесеної на поверхню
зразка, мл; N
– число Авогадро; ω
– площа, яку займає одна молекула, см2;
S
– номінальна площа розливу краплі на
поверхні зразка, см2.
В результаті побудови залежності логарифмічного декременту та квадрата частоти коливань від кількості циклів фретингування для пар зразків, розділених граничним шаром, виявлено, що для зміни вказаних показників характерна певна стадійність (рис. 7), яка, в принципі, є характерною також для фретинг-процесу без мащення (рис. 5).
На початку
випробувань декремент коливань
зменшується (стадія I),
після чого певний час зберігає майже
незмінне значення (стадія II). Стадія III
характеризується швидким зростанням
декременту коливань і є перехідною від
інкубаційного періоду розвитку
фретинг-процесу до стадії IV, яка
характеризується практично незмінним
значенням логарифмічного декременту
коливань і може розглядатися як стадія
сталої розвиненої фретинг-корозії. Для
квадрата частоти коливань
відслідковується
інша картина:
спочатку зростає (жорсткість контакту
збільшується), а потім, досягнувши
певного максимального значення, спадає,
залишаючись потім практично незмінним
до кінця випробувань. Аналогічно
змінюються граничне значення логарифмічного
декременту коливань [δ]
та момент
найбільшої сили тертя спокою
.
Встановлено, що у досліджуваному діапазоні товщин граничного шару стеаринової кислоти зі зростанням кількості нанесених мономолекулярних шарів кислоти відбувається суттєве зростання тривалості інкубаційного періоду N>фі> фретинг-процесу, а початкова дисипативна здатність контакту зменшується. Зростання ж тиску веде до зменшення тривалості інкубаційного періоду та початкової дисипативної здатності контакту.
Досліджувались
температурні залежності логарифмічного
декременту коливань в контакті пари
зразків зі сталі 45 та тривалості
інкубаційного періоду фретингу в умовах
граничного мащення вазеліновим маслом,
а також температурна залежність
логарифмічного декременту коливань
(внутрішнє тертя) для сталі 45 (рис. 8).
Обидві отримані температурні залежності
логарифмічного декременту коливань
(рис. 8, а, б) мають в районі температури
70 єС чітко виражений пік внутрішнього
тертя, що звичайно спостерігається (при
частоті
100 Гц)
у твердих розчинах проникнення з
ОЦК-решіткою і викликається міграцією
домішкових атомів (С + N)
у полі змінних напружень (пік Сноєка).
Для інкубаційного періоду N>фі> фретингу (рис. 8, в) спостерігається загальна тенденція до зниження із підвищенням температури, що, очевидно, пов’язано з погіршенням протизносних властивостей масла (температурної стійкості). Виявлено, що у районі 70 єС має місце зростання фретингостійкості трибосистеми (інкубаційного періоду фретингу), що пояснено зміною реологічних властивостей металевої підкладки. Зіставлення температурних залежностей логарифмічного декременту коливань і температурної залежності фретингостійкості мастильного шару виявляє щільну кореляцію: спостережуваному при температурі 70 єС релаксаційному піку Сноєка відповідає максимальна фретингостійкість масла.
Показано, що результати, аналогічні описаним вище, витікають із співставлення результатів експериментальних робіт, які стосуються властивостей чавунів при однонаправленому терті в умовах граничного мащення: характер зміни максимального припрацьовочного коефіцієнта зовнішнього тертя подібний до характеру зміни амплітуднозалежного (мікропластичного) внутрішнього тертя, а характер зміни стабілізованого коефіцієнта зовнішнього тертя відповідає характеру зміни амплітуднонезалежного (релаксаційного) внутрішнього тертя.
З позицій реології оцінено зміни температурної стійкості граничних мастильних шарів з добавками поверхнево-активних (ПАР) та хімічно-активних речовин (ХАР). Показано, що аномальне зростання коефіцієнта тертя при випробуваннях сталі в маслі з добавкою ПАР з одного боку і різке його зниження при випробуваннях в маслі з добавкою ХАР з другого, що спостерігаються в діапазоні 200-300 0С, мають одну і ту ж першооснову і пов’язані з реологічними властивостями сталі.
Викладено результати досліджень фретингостійкості та дисипативних властивостей солідолу жирового, солідолу УСсА, мастила Літол-24 та мастила Літол-24 з добавкою дисульфіду молібдену кількості 10 % за об’ємом.
Вплив вказаних пластичних мастильних матеріалів на зміну коефіцієнта тертя в процесі фретингу оцінювався на установці МФК-1 при контактному тискові 10, 15 та 20 МПа. Частота вібрації складала 30 Гц, амплітуда – 75 мкм. В процесі випробувань реєструвалась сила тертя, за величиною якої розраховувався коефіцієнт тертя.
Встановлено (рис. 9), що на характер зміни і величину коефіцієнта тертя істотний вплив має тиск у контакті і вид використовуваного мастильного матеріалу. При невисокому тиску (10 МПа) мастильні плівки всіх випробуваних мастильних матеріалів працюють із однаковою ефективністю. Навантаження сприймається через плівку мастильного матеріалу. Оскільки опір зсуву такої плівки невеликий, то значення коефіцієнта тертя також малі для всіх досліджуваних мастильних матеріалів і залишаються практично незмінними протягом усього періоду випробувань (рис. 9, а; криві 2-5).
При випробуваннях за умов тиску в контакті 15 МПа має місце зростання коефіцієнта тертя до 0,3 для жирового солідолу і мастила Літол-24 (рис. 9, б; криві 2, 3). У той же час мастильні матеріали, що містять дисульфід молібдену (Літол-24 + MoS>2>) і графіт (солідол УСсА) поводяться значно краще (рис.9, б; криві 4, 5), забезпечуючи практично незмінні значення коефіцієнта тертя протягом усього періоду випробувань.
У процесі випробувань за умов контактного тиску 20 МПа з жировим солідолом коефіцієнт тертя швидко досягає значення 0,7 (рис. 9, в; крива 2), оскільки процеси схоплювання в цьому випадку протікають найбільш інтенсивно. Стабілізований коефіцієнт тертя також має більше значення в порівнянні з випробуваннями при контактних тисках 10 і 15 МПа. Подібна картина спостерігається і при випробуваннях з мастилом Літол-24, але процеси схоплювання в цьому випадку активізуються в меншому ступені.
Дисипативні властивості пластичних мастильних матеріалів оцінювались на триборелаксаторі шляхом побудови амплітудних залежностей логарифмічного декременту коливань для контакту з нанесеним шаром досліджуваного матеріалу. Встановлено, що при розташуванні досліджених пластичних матеріалів в порядку зростання дисипативних властивостей, вони утворюють наступну послідовність: солідол жировий, Літол-24, Літол-24 з добавкою дисульфіду молібдену, солідол УсСА.
Фретинг-випробування з оцінкою тривалості інкубаційного періоду в умовах граничного мащення вказаними пластичними мастильними матеріалами проводились також на триборелаксаторі, оснащеному фретинг-приставкою.
Встановлено (рис. 10), що пластичні мастильні матеріали, які характеризуються більш високими дисипативними властивостями, демонструють в процесі випробувань менші максимальні припрацьовочні і стабілізовані значення коефіцієнта тертя та більшу тривалість інкубаційного періоду (фретингостійкість).
На основі проведених досліджень запропоновано метод порівняльної експрес-оцінки фретингостійкості пластичних мастильних матеріалів. Метод полягає у побудові амплітудних залежностей логарифмічного декременту контактних коливань, збуджуваних у режимі попереднього зміщення в системі зі зразками, на робочі поверхні яких наносяться порівнювані пластичні мастильні матеріали з метою виявлення мастильного матеріалу з кращими дисипативними властивостями.
ВИСНОВКИ
1. Проведено комплексні дослідження зміни дисипативних властивостей фрикційного контакту з урахуванням прояву в умовах динамічного навантаження реологічних властивостей матеріалів пари тертя і мастильного матеріалу, які впливають на формування трибологічних характеристик сполучення.
2. Розроблена методика оцінки механічних втрат у контакті заснована на вимірі характеристик збуджених згасаючих крутильних коливань системи, яка включає в себе досліджуваний плоский кільцевий контакт, що піддається циклічному тангенціальному навантаженню в режимі реверсивного попереднього зміщення. Триборелаксатор конструктивно сполучений із динамометром для виміру моменту найбільшої сили тертя спокою і з приставкою для нанесення пошкоджень на контактуючі поверхні зразків при фретингу з повним проковзуванням.
3. Досліджено амплітудні, навантажувальні і температурні залежності логарифмічного декременту коливань (контактного розсіювання механічної енергії) в умовах попереднього зміщення з урахуванням впливу термообробки сталі, мікрошорсткості і тривалості контактування трибосполучення. Показано, що з підвищенням амплітуди збуджуваних коливань і зростанням шорсткості механічні втрати збільшуються; у той же час зростання нормального тиску, контактної температури і тривалості контактування приводить до зниження втрат. Встановлено взаємозв’язок між граничними значеннями логарифмічного декременту коливань [δ] і моментом найбільшої сили тертя спокою.
4. На підставі аналізу еволюції амплітудних залежностей логарифмічного декременту коливань, а також залежності його граничних значень [δ] і тангенціальної жорсткості контакту від кількості циклів фретингування встановлено стадійність розвитку пошкоджуваності з характерним початковим (інкубаційним) періодом фретинг-корозії.
5. Дослідження розвитку фретинг-процесу в умовах граничного мащення показало, що граничні шари, які формуються при цьому, сприяють істотному збільшенню тривалості інкубаційного періоду, який залежить від товщини граничного шару і тиску в контакті. Збільшення досліджуваних товщин квазітвердого граничного мастильного шару до 0,1 мкм сприяє підвищенню тангенціальної жорсткості контакту, що проявляється в зменшенні логарифмічного декременту коливань в режимі попереднього зміщення і супроводжується зростанням інкубаційного періоду.
6. Встановлено, що за певних температурних і навантажувально-швидкісних режимів фретингу в умовах граничного тертя релаксаційне внутрішнє тертя матеріалу підкладки може виступати одним із факторів, що контролюють фретингостійкість мастильного шару: зі збільшенням внутрішнього тертя сталі зростає фретингостійкість пари тертя. Виявлено відповідність температури формування максимумів внутрішнього тертя (піка Сноєка) сталі і контактного декременту коливань температурним умовам, при яких реалізується максимальна фретингостійкість мастильного шару.
7. Розвинуто реологічні уявлення про природу зміни температурної стійкості граничних мастильних шарів з добавками поверхнево-активних і хімічно-активних речовин. На основі зіставлення температурних залежностей коефіцієнта зовнішнього тертя і релаксаційного внутрішнього тертя в сталі (пік Кестера) запропоновано механізм прояву критичних температур стійкості мастильних шарів, що враховує динамічні релаксаційні процеси в металевій підкладці.
8. З підвищенням дисипативної здатності пластичних мастильних матеріалів, введених у трибосполучення, тривалість інкубаційного періоду фретинг-процесу збільшується з одночасним зниженням коефіцієнта зовнішнього тертя. Проведено експериментальну оцінку ефективності підвищення фретингостійкості трибовузла технічними пластичними мастильними матеріалами з урахуванням демпфірувальних властивостей, які проявляються ними, стійкості до продавлювання та опору зсуву.
9. На основі встановленого взаємозв’язку між дисипативними властивостями пластичних мастильних матеріалів і їхньою фретингостійкістю запропоновано метод порівняльної експрес-оцінки антифретингової здатності пластичних мастильних матеріалів, що полягає в побудові амплітудних залежностей логарифмічного декременту контактних коливань, збуджуваних у режимі попереднього зміщення в системі, на робочі поверхні якої наносяться порівнювані мастильні матеріали.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Шевеля В. В. Реология контактных явлений при реверсивном предварительном смещении / В. В. Шевеля, В. Орлович, В. А. Кирилков // Проблеми трибології. – 2005. – № 2. – С. 152-158.
2. Шевеля В. В. Изменение диссипативных свойств контакта на ранних стадиях низкоамплитудного фреттинга / В. В. Шевеля, В. А. Кирилков // Проблеми трибології. – 2006. – № 1. – С. 141-147.
3. Шевеля В. В. Диссипативные процессы при вибрации номинально неподвижных соединений / В. В. Шевеля, В. А. Кирилков // Вібрації в техніці та технологіях. – 2006. – №1(43). – С.147-148.
4. Шевеля В. В. Развитие фреттинг-коррозии в условиях граничного трения / В. В. Шевеля, В. А. Кирилков, В. П. Федына // Проблеми трибології. – 2007. – № 2. – С. 102-108.
5. Шевеля В. В. Влияние релаксационного внутреннего трения на динамические параметры трибосистемы / В. В. Шевеля, Г. С. Калда, В. А. Кирилков, В. П. Федына // Наукові нотатки. – 2007. – Вип. 20. – С. 553-557.
6. Шевеля В. В. Диссипативные свойства и фреттингостойкость пластичных смазок / В. В. Шевеля, В. Орлович, В. А. Кирилков, В. П. Федына // Проблеми трибології. – 2007. – № 3. – С. 55-60.
7. Кирилков В. А. Дослідження в’язкопружних властивостей металевого контакту / В. А. Кирилков // Матеріали II Міжнародної конференції «Динаміка наукових досліджень 2003», 20-27 жовт. 2003 р. Т. 35. – Дніпропетровськ : Наука і освіта, 2003. – С. 28-29.
8. Шевеля В. В. Метод исследования начальных этапов фреттинга / В. В.Шевеля, В. А. Кирилков // Матеріали III Міжнародної конференції «Динаміка наукових досліджень 2004», 21-30 черв. 2004 р. Т. 61. – Дніпропетровськ : Наука і освіта, 2004. – С. 33-34.
9. Шевеля В. В. Дослідження фретингостійкості змащувальних плівок жирної кислоти / В. В. Шевеля, В. А. Кирилков // Матеріали VIII Міжнародної конференції «Освіта і наука 2005», 7-21 лют. 2005 р. Т. 58. – Дніпропетровськ : Наука і освіта, 2005. – С. 86-87.
10. Шевеля В. В. Дослідження дисипативних властивостей контакту при фретингу // В. В.Шевеля, В. Орлович, В. А. Кирилков // 7-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові : тези доповідей, 18-20 трав. 2005 р. – Львів : КІНПАТРІ ЛТД, 2005 – С.125.
Анотація
Кирилков В. А. Дисипативні властивості фрикційного контакту та їхній вплив на фретингостійкість трибосистем. – Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 – Тертя та зношування в машинах. – Хмельницький національний університет, Хмельницький, 2008.
У роботі викладено виконані за допомогою маятникового триборелаксатора комплексні дослідження дисипативних властивостей фрикційного контакту, засновані на використанні розробленої методики збудження вільних згасаючих крутильних коливань системи, що включає в себе досліджуваний контакт, який піддається циклічному тангенціальному навантаженню в режимі попереднього зміщення, і вимірі логарифмічного декременту та частоти цих коливань.
Наведено результати вивчення дисипативних властивостей контакту при реверсивному попередньому зміщенні та їхньої зміни на ранніх стадіях низькоамплітудного фретингу. Дано опис встановленої в ході досліджень стадійності фретинг-процесу. Досліджено ефективність підвищення фретингостійкості контакту змащуванням мастильними матеріалами.
Запропоновано метод порівняльної експрес-оцінки антифретингової здатності пластичних мастильних матеріалів.
Ключові слова: фретинг, дисипація енергії, декремент коливань, сила і коефіцієнт тертя, попереднє зміщення, жорсткість контакту, мащення.
Аннотация
Кирилков В. А. Диссипативные свойства фрикционного контакта и их влияние на фреттингостойкость трибосистем. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 – Трение и износ в машинах. – Хмельницкий национальный университет, Хмельницкий, 2008.
В работе излагаются выполненные с помощью маятникового триборелаксатора комплексные исследования диссипативных свойств фрикционного контакта, основанные на использовании разработанной методики возбуждения свободных затухающих крутильных колебаний системы, включающей в себя исследуемый кольцевой контакт, который подвергается циклическому тангенциальному нагружению в режиме предварительного смещения, и измерении логарифмического декремента и частоты этих колебаний.
Описаны дополнительные устройства к триборелаксатору, позволяющие использовать его для нанесения фреттинг-повреждений на контактирующие поверхности образцов и для измерений момента наибольшей силы трения покоя.
Изучено влияние амплитуды колебаний, нормальной нагрузки, температуры в зоне контакта, структурного состояния материала образцов, микрошероховатости контактирующих поверхностей и продолжительности контактирования на диссипативные свойства контакта при реверсивном предварительном смещении.
Исследовано изменение диссипативных свойств контакта на ранних стадиях низкоамплитудного фреттинга в двух режимах: при фреттинге в режиме предварительного смещения и при фреттинге с проскальзыванием.
Установлена стадийность развития фреттинг-процесса с характерным инкубационным периодом.
Выполнено представление результатов исследований на основании теории Гранато и Люкке.
Исследовано развитие фреттинг-процесса в условиях граничной смазки. Оценено влияние толщины граничного слоя и нормальной нагрузки. Исследована температурная зависимость фреттингостойкости контакта в условиях граничного трения. Показано, что релаксационные процессы, протекающие в материале образцов, могут оказывать существенное влияние на фреттингостойкость.
Исследована эффективность повышения фреттингостойкости контакта пластичными смазочными материалами.
Предложен метод сравнительной экспресс-оценки антифреттинговой способности пластичных смазочных материалов.
Ключевые слова: фреттинг, диссипация энергии, декремент колебаний, сила и коэффициент трения, предварительное смещение, жесткость контакта, смазка.
Summary
Kyrylkov V. A. Dissipative properties of the friction contact and their influence on the fretting durability of tribosystems. – Typescript. The thesis is presented for the degree of candidate of technical sciences in specialty 05.02.04 – Friction and wear in machinery. – Khmelnitsky National University, Khmelnitsky, 2008.
The dissertation presents complex research of dissipative properties of the friction contact. It takes into account that abovementioned properties are displayed by the friction pair material and lubricating material. The research uses the exciting method of free damping rotating oscillations of the system. This system includes the investigated contact as the element of the system. The logarithmic decrement and the frequency of these oscillations are measured. Dissipative properties of the contact under reversed preliminary displacement are studied. A change of the contact dissipative properties during the early stages of low amplitude fretting is determined. Efficiency of contact fretting resistance increase by means of lubrication is investigated. A method of comparative express evaluation of anti-fretting properties of greases is offered.
Key words: fretting, energy dissipation, decrement of oscillation, frictional force, constant of friction, preliminary displacement, contact stiffness, lubrication.