Разработка модели трибологической системы контактирования деталей пар трения

УДК 621.822

,

РАЗРАБОТКА моделИ ТрибологическОЙ СИСТЕМЫ

КОНТАКТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ

Рассматривается применение модели трибологической системы для обеспечения требуемой долговечности подвижного соединения в условиях смешанной смазки.

В зависимости от характера смазки деталей машин различают 4 вида трения: без смазочного материала, граничное, гидродинамическое (жидкостное) и смешанное. В первом случае контактируют несмазываемые поверхности, покрытые окисными пленками и тончайшими слоями молекул газов и воды, адсорбированными из окружающей среды. Во втором случае, помимо перечисленных пленок, присутствуют смазочные материалы в виде тонкого слоя толщиной в несколько молекул, которые прочно связаны с поверхностью. В третьем случае слой жидкой смазки полностью разделяет сопряженные поверхности. Смешанное трение наиболее полно отражает процессы, происходящие в паре трения. Данный вид трения присутствует практически во всех сопряжениях, но различные его элементы наблюдаются в определенных зонах контакта в различные моменты времени. Смешанное трение является наиболее сложным с точки зрения его моделирования. Исходя из этого, можно сделать вывод, что создание модели трибосистемы в условиях смешанной смазки является актуальной задачей в машиностроении.

Понятие «модель трибосистемы» может быть определено как некоторая логико-математическая структура, имеющая систему переменных, соответствующих элементам трибосистемы. Данные элементы трибосистемы могут быть классифицированы как её основные подсистемы: подсистема выбора материала; прочностная подсистема; динамическая подсистема; подсистема контактирования; подсистема трения и изнашивания; термодинамическая подсистема.

Подсистема выбора материала. Предлагается методика построения математической модели выбора материалов деталей при проектировании узлов трения скольжения или материала покрытия и способа его создания. Материалы контактирующих поверхностей деталей пар трения скольжения выбираются в зависимости от свойств рабочей среды, ее температуры, давления, скорости скольжения, реакции в опоре (нагрузки), теплоотвода из зоны трения, графика межремонтных периодов и срока наработки узла на отказ.

Прочностная подсистема. Одним из важных факторов, существенно влияющих на износостойкость, величину износа и форму изношенных поверхностей, является давление. Знание реальной эпюры силового взаимодействия деталей пар трения позволяет повысить достоверность расчетов при обеспечении наработки узла на отказ. Для пары трения «вал-втулка» в рассматриваемой модели решаются следующие вопросы: определяется сближение в цилиндрическом стыке вследствие собственной деформации вала и втулки, определяется контактная равнодействующая давления в цилиндрическом стыке, описывается закон распределения нагрузки вдоль втулки, определяется зависимость давления от приложенной нагрузки. Перечисленные задачи решаются при следующем допущении: жесткий вал распределяет давления на упругодеформируемую втулку, что, в частности, реализуется при изготовлении последней из металлополимерных материалов.

Динамическая подсистема. Известно, что все материалы в большей или меньшей степени обладают вязкоупругостью и вязкопластичностью. Эти свойства материалов, приводящие к изменению фактической площади контакта в зависимости от температуры и времени, описываются с помощью реологических моделей. В рассматриваемой модели трибосистемы используется модель Кельвина-Фойгта, отражающая свойства реальных тел.

Подсистема контактирования. Первичной проблемой при изучении трения является контактирование соприкасающихся поверхностей. В понятие контактирования входит взаимодействие поверхностей твердых тел 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.

Для решения задачи контактирования двух твердых тел необходимо представить модель поверхности, максимально приближенную к реальной поверхности и при этом имеющую минимальный набор входных параметров. Пространственная модель строится на основе стержневых конечных элементов [2].

В качестве исходных используются как стандартизованные параметры (среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии Ra; средний шаг неровностей профиля по средней линии Sm; ГОСТ 2789-73), так и пока не стандартизованные параметры волнистости (в продольном и поперечном направлениях: средняя арифметическая высота волны по средней линии Wa, Wz; шаг волны по средней линии Swа, Swz).

Общее уравнение профиля имеет следующий вид:

,

где D - параметр, отражающий влияние радиального биения и других отклонений формы на профиль поверхности (1-5 мкм); kRa - коэффициент, отражающий вероятность изменения среднего арифметического отклонения профиля от средней линии по закону нормального распределения; sin(R), sin(W) - значения синуса текущей (i-й) координаты профиля.

Профиль разбивается на стержневые конечные элементы в зависимости от поверхностной твердости материала и требуемой точности расчета.

Контактные деформации будут происходить, если выполняется условие

.

; ,

где Е - модуль упругости, МПа; ε – относительное удлинение; yn – число итераций контактных деформаций; dy – шаг элементарного сближения, мм; l – толщина элемента, мм; P – общая нагрузка, Н; L – номинальная длина контакта, мм; dx – шаг разбиения, мм; n – число элементов, вступивших в контакт.

Подсистема трения и износа. Процесс трения в значительной мере предопределяет износостойкость контактирующих деталей. Износостойкость характеризуется способностью поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении скольжения, трении качения, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций (фреттинг-процесс). Износ деталей машин приводит к потере точности; понижению КПД; понижению прочности; увеличению динамических нагрузок, которые являются следствием увеличения зазоров в сопряжениях; повышению уровня шума. Износ является причиной выхода из строя подавляющего большинства машин (до 80 %) и их деталей. Создание узлов с минимальными потерями на трение способствует высвобождению огромных ресурсов рабочей силы и снижению различных материальных затрат, в том числе ремонтных предприятий, которые в среднем по машиностроению составляют не менее 60-80 % основного производства [1, 3, 6, 8].

С практической точки зрения задача установления связей и количественных соотношений между эксплуатационными показателями и параметрами качества поверхностного слоя весьма важна и актуальна.

При решении задачи определения взаимосвязи интенсивности изнашивания и параметров состояния поверхностей трения используется зависимость для расчета величины интенсивности изнашивания, предложенная [4],

,

где Rz – высота неровностей по десяти точкам, мкм; WZ – средняя высота волнистости по десяти точкам, мкм; Нmax – максимальная величина макроотклонений формы поверхности, мкм; tm – относительная опорная длина профиля на уровне средней линии; v - скорость в точке контакта; Sm – средний шаг неровностей, мкм; l – коэффициент, учитывающий знак и значение остаточных напряжений; sT - величина остаточных напряжений, МПа; k – коэффициент упрочнения; p – давление, МПа; n – число циклов воздействия до разрушения поверхностного слоя; E, m – механические свойства материала заготовки.

Данная формула показывает, что износостойкость деталей машин характеризуется комплексным состоянием поверхностей трения. Несущая способность поверхностей деталей, их коэффициент трения и интенсивность изнашивания при трении скольжения наряду с шероховатостью определяются макроотклонением, волнистостью и физико-механическими свойствами (микротвердость и остаточные напряжения). Достижение так называемой равновесной шероховатости, зависящей только от условий трения, возможно после длительного процесса работы узла трения, когда стабилизированы все параметры состояния поверхностного слоя контактирующих деталей [5, 7].

Термодинамическая подсистема учитывает исходную температуру элемента, среднюю объемную температуру элемента (обусловленную теплопроводностью материала детали) и температуру вспышки на пятне контакта.

Синтез элементов данной трибосистемы с использованием системного подхода позволит создать модель, адекватно описывающую процессы, происходящие в паре смешанного трения.

Список литературы

1. Основы трибологии (износ, трение, смазка) / под. ред. . – М.: Машиностроение, 2001. – 663 с.

2. Рыжов, жесткость деталей машин/ . – М.: Машиностроение, 1966. – 193с.

3. Суслов, А. Г. От технологического обеспечения эксплуатационных свойств к качеству машин/ // Трение и износ.–1997.–Т.18.–№3.– С. 311-320.

4. Суслов, обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей/. - М.: Машиностроение, 1987. – 208с.

5. Суслов, машин: справочник: 2 т./ , , – М.: Машиностроение, 1995.

6. Технологические основы обеспечения качества машин / под ред. – М.: Машиностроение, 1990. – 256с.

7. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: учеб. для вузов / под ред. . – Самара: СГТУ, 2000. – 268 с.

8. Фролов, совершенствования машин и современные проблемы машиностроения/ . – М.: Машиностроение, 1984.– 224 с.

Материал поступил в редколлегию 20.02.06.