Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка на основі теорії стохастичних процесів методу розрахунку коефіцієнту тертя ковзання беззмащувальних поршневих ущільнень

Хмельницький - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький)

Науковий керівник - доктор технічних наук,

Doktor-Ingenieur habilitatus,

професор Семенюк Микола Федорович

Технологічний університет Поділля,

професор кафедри машинознавства

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук,

професор Кіндрачук Мирослав Васильович,

Національний технічний університет України "КПІ",

професор кафедри металознавства та термообробки металів

доктор технічних наук,

доцент Войтов Віктор Анатолійович,

Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет,

професор кафедри технології машинобудування і ремонту машин

Провідна установа:

Вінницький державний технічний університет,

кафедра технології підвищення зносостійкості

Захист відбудеться 27 квітня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 29016 Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці

Технологічного університету Поділля (вул. Кам'янецька, 110/1)

Автореферат розісланий 21 березня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Кіницький Я.Т.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з головних напрямків розвитку сучасного машинобудування є створення машин з вузлами тертя, що не вимагають мастила. Так, наприклад, великі перспективи застосування в багатьох галузях промисловості мають поршневі компресори, що працюють без мастила. Основна їх перевага полягає в тому, що вони не забруднюють газ мастилом, яке знижує інтенсивність каталітичних процесів, забиває теплообмінну та контактну апаратуру, забруднює продукти переробки. Очищення газу від мастила - складна та дорога операція, що вимагає додаткової громіздкої апаратури, яка не завжди дає бажані результати. Під дією тиску газу між кільцем та стінкою циліндра виникають сили тертя, котрі в значній мірі визначають інтенсивність зношування деталей циліндро-поршневої групи та втрати енергії на протидію тертю, а значить і коефіцієнт корисної дії машин. Втрати на тертя, особливо в вузлах, що працюють без мастила, досягають значних величин, а тому їх вивченню приділяється велика увага. Виходячи з цього, проблема тертя беззмащувальних поршневих ущільнень є однією з найважливіших для триботехніки. Вивчення її направлене на зниження енергетичних втрат, зносу та на підвищення строку служби ущільнень, а значить і міжремонтного пробігу машин.

Для розрахунку втрат потужності на тертя в ущільненнях необхідно знати величину коефіцієнту тертя. Коефіцієнт тертя можна просто отримати емпіричним шляхом. Але, отримані таким чином значення коефіцієнту тертя, по-перше, вірні лише для тих умов роботи ущільнення, які ідентичні лабораторним, в яких і визначалась величина коефіцієнту тертя; по-друге, отримані таким чином значення не дозволяють аналізувати залежність коефіцієнту тертя від різноманітних факторів. В зв'язку з цим зрозумілий інтерес до аналітичних методів розрахунку коефіцієнту тертя.

Аналіз існуючих методів розрахунку коефіцієнту тертя свідчить про те, що з інженерної точки зору найбільш привабливим є розрахунковий метод І.В. Крагельського. Цей метод бере до уваги фізико-механічні властивості матеріалів, шорсткість поверхонь, величину навантаження. Інші методи містять характеристики, які важко, а деколи практично неможливо, визначити з достатньою для розрахунків точністю. Однак і метод І.В. Крагельського має недоліки. В основі цього методу лежить опис шорсткості за способом опорних кривих. Цей спосіб має ряд суттєвих недоліків, спричинених тим, що він не бере до уваги різницю властивостей профілю та поверхні.

В даний час добре розвинутий опис шорстких поверхонь за методом стохастичних процесів. На підставі цього опису шорсткості розроблено вже ряд методів розрахунку характеристик трибоконтакту. В результаті були отримані розрахункові методи, які кожного разу були кращі в порівнянні з розрахунковими методами, що використовують опис шорсткості за способом опорних кривих. Все це дає підстави розглядати спосіб стохастичних процесів як перспективний і при розробці методів розрахунку коефіцієнту тертя.

Зважаючи на сказане вище, розробка на основі теорії стохастичних процесів методу розрахунку коефіцієнту тертя ковзання беззмащувальних поршневих ущільнень є важливою і актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась у відповідності з перспективним планом науково-дослідної роботи Технологічного університету Поділля на 1995-2000 роки за пріоритетним напрямком "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології" (програма "Підвищення надійності та довговічності машин і конструкцій"), наведеному в Постанові Верховної Ради України № 2705 від 16.10.92. р. з подальшими доповненнями.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка на основі теорії стохастичних процесів методу розрахунку коефіцієнту тертя ковзання беззмащувальних поршневих ущільнень. Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

моделювання на основі теорії стохастичних процесів шорсткості поверхонь поршневих ущільнень;

розробка методів розрахунку основних характеристик фрикційного контакту беззмащувальних поршневих ущільнень, а також методики експериментального визначення величин, необхідних для обчислення коефіцієнту тертя ковзання;

експериментальна перевірка розроблених розрахункових методів;

дослідження залежності основних характеристик фрикційного контакту від параметрів шорсткості, навантажень та фізико-механічних властивостей фрикційної пари;

вдосконалення, грунтуючись на проведених дослідженнях фрикційної взаємодії, існуючих методів визначення номінального контактного напруження в беззмащувальних поршневих ущільненнях компресорів.

Об'єкт дослідження - процеси контактної взаємодії та тертя в беззмащувальних поршневих ущільненнях.

Предмет дослідження - беззмащувальні поршневі ущільнення.

Методи дослідження - моделювання шорстких поверхонь тертя на підставі теорії стохастичних процесів, симуляція профілю шорстких поверхонь за допомогою програмного продукту Mathcad 2000 Professional, експериментальні дослідження з використанням оригінальних стендів.

Наукова новизна одержаних результатів

Розроблено методи моделювання шорсткості поверхонь поршневих ущільнень. Показано, що для забезпечення рівності опорних площ реальної та модельної поверхонь необхідно відповідним чином, в залежності від висоти виступів, визначати кривизну виступів модельної поверхні. Отримано розрахункове рівняння та розроблено чисельний метод визначення кривизн виступів. Доведена висока точність розробленого чисельного методу визначення кривизн.

Отримано основне рівняння контактування металополімерних беззмащувальних поршневих ущільнень, яке дозволяє за заданою величиною номінального напруження, фізико-механічними властивостями матеріалів та параметрами шорсткості розраховувати взаємне положення контактуючих поверхонь.

Розроблено інженерні методи розрахунку основних характеристик фрикційного контакту беззмащувальних поршневих ущільнень - фактичної площі контакту, фактичного контактного напруження, рівня деформації, контактного зміщення, приросту температури, коефіцієнту тертя. Проаналізовано вплив властивостей матеріалів та умов контактування на характеристики фрикційного контакту.

За допомогою програмного продукту Mathcad 2000 Professional розроблено методи симуляції профілю шорстких поверхонь, які можуть використовуватись при моделюванні різних контактних явищ.

Запропоновано і експериментально підтверджено методику визначення молекулярних компонент сили тертя за результатами прямих експериментальних досліджень.

Грунтуючись на досягнутих в роботі результатах дослідження характеристик фрикційного контакту, розроблено методику розрахунку номінального контактного напруження в беззмащувальних поршневих ущільненнях компресорів, що враховує дійсну структуру контакту поршневе кільце - циліндр.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені інженерні методи розрахунку основних характеристик фрикційного контакту беззмащувальних поршневих ущільнень можуть використовуватись при проектуванні машин та механізмів, в яких використовуються металополімерні пари тертя.

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить лише ті наукові результати, які отримані дисертантом особисто. Постановка задач та обговорення результатів досліджень виконані спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи та окремі її результати доповідались на III науково-технічній конференції Української технологічної академії "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва" (Хмельницький, 1995 р.), міжвузівській науковій конференції молодих вчених та студентів (Київ, 1996 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2000)" (Хмельницький, 2000 р.), міжнародній науково-технічній конференції RoM 2000 "Надійність машин та прогнозування їх ресурсу" (Івано-Франківськ - Яремча, 2000 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Ресурсо- та енергозберігаючі технології легкої промисловості" (Хмельницький, 2000 р.), засіданнях наукового семінару кафедр машинознавства та технології машинобудування і на щорічних (1995-2000 рр.) наукових конференціях Технологічного університету Поділля.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 7 статтях, в тому числі 5 - в фахових виданнях, та 1 тезах доповідей наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота виконана на 155 сторінках машинописного тексту, містить 37 малюнків, 3 таблиці, список використаних джерел з 246 найменувань та 29 додатків. Загальний обсяг дисертації - 204 сторінки.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ розкриває сутність і стан наукової проблеми та її значущість, підстави і вихідні дані для розробки теми, обгрунтування необхідності проведення дослідження, дається загальна характеристика дисертації.

В розділі 1 проаналізовані існуючі методи розрахунку коефіцієнту тертя, сформульовані завдання подальших досліджень.

Розділ 2 присвячений моделюванню шорстких поверхонь тертя. В силу кінематики відносного руху елементів поршневого ущільнення шорсткі поверхні елементів ущільнення можна розглядати як поверхні з сильною анізотропією. В беззмащувальних поршневих ущільненнях використовуються переважним чином металополімерні пари, для них характерно те, що полімерна поверхня має значно більшу шорсткість за металеву. З огляду на це, в роботі розглядається контакт сильно анізотропної шорсткої поверхні (полімерна поверхня) з гладкою (металева поверхня).

Поверхні з сильною анізотропією можуть бути описані на підставі характеристик профілю в поперечному напрямку. Характеристики профілю розраховуються на підставі теорії стохастичних процесів. Розглянуто основні положення цієї теорії, необхідні для подальшого вирішення поставленої задачі.

Для того, щоб розрахувати характеристики контакту шорстких поверхонь, необхідно замінити шорстку поверхню системою окремих виступів правильної геометричної форми. В зв'язку з цим досліджені умови, за яких можлива заміна реальної поверхні модельною. При заміні реальної поверхні модельною необхідно забезпечити рівність опорних площ, щільності виступів та однаковий розподіл виступів за висотою. Моделювання поверхонь можливе лише тоді, коли можна знехтувати злиттям плям контакту. Прийнято допущення, що взаємним впливом плям контакту можна знехтувати, якщо кількість плям контакту відрізняється від кількості виступів, що вступили в контакт, не більше ніж на 1%.

Для забезпечення рівності опорних площ реальної та модельної поверхонь необхідно відповідним чином, в залежності від висоти виступів, визначати кривизну виступів модельної поверхні. Для розрахунку кривизн отримано рівняння:

шорсткість поршневий фрикційний беззмащувальний

, (1)

де - висота виступу; h - рівень деформації; p() - щільність ймовірності висот вершин;

; (2)

- параметр широкополосності; erfc(…) - додатковий інтеграл ймовірності; g() - невідома функція.

Функція g() зв'язана з кривизною виступів:

, (3)

де m₄ - спектральний момент четвертого порядку.

Розроблено чисельний метод визначення кривизн. Для цього необхідно виконати наступні кроки.

· Розрахувати величини

. (4)

· Визначити коефіцієнти a_n (n=0,…,N) з системи рівнянь:

, (5)

h_min, h_max - величини, що задають інтервал зміни величини h.

· Розрахувати функцію g():

 . (6)

· Розрахувати кривизну виступів:

. (7)

Розроблена методика розрахунку кривизн апробована на прикладі ізотропної поверхні, для якої існує точний аналітичний метод визначення кривизн. Доведена висока точність розробленого чисельного методу визначення кривизн. Показано, що в практичних розрахунках достатньо точні значення отримуються вже при N=4.

Залежність коефіцієнтів a_n від параметру широкополосності з високою точністю описується апроксимаційними формулами:

; (8)

; (9)

; (10)

; (11)

. (12)

Співставлення кривизн виступів реальної та модельної поверхонь свідчить про те, що розходження між ними зменшується з ростом висоти виступу . Із збільшенням відношення прямує до одиниці, тобто вершини виступів можуть бути апроксимовані циліндричними параболоїдами.

Розділ 3 присвячений розробці методів розрахунку основних характеристик фрикційного контакту беззмащувальних поршневих ущільнень. Розрахункові методи грунтуються на опису шорсткості за теорією стохастичних процесів.

Отримано основне рівняння контактування металополімерних беззмащувальних поршневих ущільнень, яке має вигляд:

, (13)

де _n - номінальне напруження в зоні контакту; E - зведений модуль Юнга:

;

₁, ₂, E₁, E₂ - коефіцієнти Пуассона та модулі Юнга контактуючих матеріалів; q - градієнт поверхні; h - рівень деформації; - параметр широкополосності; p() - щільність ймовірності висот вершин.

Основне рівняння контактування дозволяє за заданою величиною номінального напруження _n, фізико-механічними властивостями матеріалів (зведений модуль Юнга E) та параметрами шорсткості (градієнт поверхні q та параметр широкополосності ) розраховувати взаємне положення контактуючих поверхонь, що визначається рівнем деформації h.

В відповідності з основним рівнянням контактування взаємне положення поверхонь визначається добутком модуля пружності на градієнт поверхні. Це означає, що взаємне положення поверхонь можна регулювати як зміною фізико-механічних властивостей матеріалу (E), так і зміною параметрів шорсткості (q). Керувати зміною параметрів шорсткості поверхні можна значно простіше, застосовуючи для цього відповідні види та режими обробки. Тому на підставі основного рівняння контактування можна зробити важливу практичну рекомендацію - керувати контактними властивостями шорстких тіл потрібно, насамперед, зміною їх параметрів шорсткості, найбільш важливим з яких є градієнт поверхні q. Параметр широкополосності та градієнт поверхні q залежать від параметрів шорсткості, передбачених ГОСТ 2789-73 - середньоарифметичного відхилення профілю Ra, середнього кроку нерівностей по середній лінії S_m та середнього кроку нерівностей по вершинам S:

=( S_m/S)²; q=2Ra/S_m .

Це відкриває можливості технологічного керування контактними властивостями поверхонь, оскільки існують дослідження, в яких встановлено зв'язок середньоарифметичного відхилення Ra та параметрів профілю S та S_m з режимами механічної обробки.

Показано, що при достатньо невеликих навантаженнях (K=1,83_n/(Eq)0,1) відносна фактична площа контакту може бути розрахована за формулою:

. (14)

Отриманий нами розрахунковим шляхом висновок про лінійний характер залежності фактичної площі контакту від навантаження в випадку пружного контактування та невеликих навантажень повністю відповідає результатам експериментальних досліджень, проведених різними вченими для різних матеріалів - полікапроамід, фторопласт, полікарбонат, вініпласт, поліамід-68, поліетилен, поліпропілен, фенілен С2, гума на основі СКН-26, СКН-18, СКН-40, сталь 3, сталь 10, плексиглас. Цікаво відмітити, що в той час, коли залежність площі контакту від навантаження на кожному окремо взятому виступі є нелінійною, залежність площі контакту від навантаження для всієї сукупності контактуючих нерівностей є, в відповідності з формулою (14), лінійною. Це пояснюється впливом розподілу вершин нерівностей по висоті на процес формування площі контакту.

При довільних навантаженнях (за умови, що вид контакту є пружним) має місце формула:

. (15)

Формула розрахунку відносної фактичної площі контакту містить параметр шорсткості (градієнт q), який враховує структуру шорсткої поверхні. Відомо, що при зменшенні розміру нерівностей, величина площі контакту зменшується. Саме цим пояснюється, що контурна площа контакту менша за номінальну, фактична площа контакту менша за контурну, а фізична площа менша за фактичну. Це легко пояснити за допомогою формули відносної фактичної площі контакту. При зменшенні розміру нерівностей росте градієнт поверхні . Тоді, в відповідності з наведеною вище формулою, величина відносної площі контакту зменшується.

Для визначення фактичного контактного напруження отримана формула:

, (16)

K=1,83_n/(Eq). (17)

При малих навантаженнях (K=1,83_n/(Eq)0,1) має місце співвідношення:

_r=0,5464Eq . (18)

Таким чином, при малих навантаженнях фактичне контактне напруження залежить лише від добутку зведеного модуля Юнга E на градієнт поверхні q і не залежить від діючого навантаження.

Для розрахунку рівня деформації отримана формула:

, (19)

де C=ln(K) .

Співставлення рівнів деформації, визначених за точним рівнянням (основне рівняння контактування) та за наближеною формулою свідчить про те, що наближена формула є не тільки простою в використанні, але й розраховані за нею значення досить близькі до значень, визначених за точними рівняннями.

При зміні номінального напруження в контакті від _n1 до _n2 контактне зміщення складатиме:

. (20)

Для розрахунку приросту температури в зоні тертя металополімерної пари запропонована формула, яка отримана шляхом перетворення формули С.Б. Айнбіндера:

, (21)

де f - коефіцієнт тертя; _n - номінальне напруження; - швидкість ковзання; A_a - номінальна площа контакту; - відносна фактична площа контакту; _м - коефіцієнти теплопровідності металевого матеріалу.

Формула (21) показує вплив масштабного фактору на процеси тертя та зношування - дві трибосистеми, що складаються з однакових матеріалів, мають однакові параметри шорсткості, однакове номінальне напруження в зоні тертя та рівні значення швидкості ковзання, матимуть все ж різні фрикційні характеристики, якщо вони мають різні номінальні площі контакту.

Виведена формула розрахунку коефіцієнту тертя для випадку пружного контакту шорсткої полімерної поверхні з гладкою металевою:

, (22)

де ₀, - молекулярні компоненти коефіцієнту тертя.

В відповідності з виведеною формулою коефіцієнту тертя з ростом навантаження коефіцієнт тертя зменшується, що в дійсності і має місце для різних пар тертя з участю полімерних матеріалів.

При малих навантаженнях, тобто при K=1,83_n/(Eq)0,1, має місце формула:

. (23)

Таким чином, при достатньо малих значеннях комплексу К, коефіцієнт тертя не залежить від номінального напруження, а залежить лише від шорсткості поверхні (градієнта q) та від фізико-механічних властивостей матеріалів (E, ₀, ). Отриманий висновок пояснює слабку залежність коефіцієнту тертя від навантаження при малих навантаженнях, яка відмічена багатьма дослідниками для самих різних полімерних матеріалів - політетрафторетилену, поліметилметакрилату, полівінілхлориду, поліетилену, полістиролу, найлону, політрифторхлоретилену, полікапроаміду.

Не усі існуючі методи розрахунку коефіцієнту тертя дають правильні результати при невеликих навантаженнях. Так, наприклад, застосування методу опорних кривих приводить в цьому випадку до неправдоподібного висновку про те, що нібито при зменшенні номінального напруження до нуля коефіцієнт тертя прямує до безмежності. Це свідчить про непридатність в випадку малих навантажень формули коефіцієнту тертя, заснованої на методі опорних кривих.

На коефіцієнт тертя металополімерної пари впливають три безрозмірні величини:

· параметр молекулярного компоненту коефіцієнту тертя ;

· зведена міцність на зсув молекулярного зв'язку ₀/(Eq);

· комплекс умов контактування K.

З ростом перших двох чинників (параметру та зведеної міцності на зсув молекулярного зв'язку₀/(Eq)) коефіцієнт тертя збільшується. З ростом комплексу умов контактування K, а значить і номінального напруження _n, коефіцієнт тертя зменшується.

Таким чином, найбільший вплив на коефіцієнт тертя мають фізико-механічні властивості матеріалів (молекулярні компоненти коефіцієнту тертя ₀, та зведений модуль Юнга E) та параметри шорсткості (градієнт поверхні q). Найслабший вплив має нормальне навантаження в зоні тертя (номінальне напруження _n).

На рис. 1 представлені залежності характеристик фрикційного контакту від комплексу умов контактування. Вони отримані на підставі співвідношень, виведених в розділі 3.

Розділ 4 присвячений експериментальній перевірці розроблених розрахункових методів.

У відповідності з отриманими формулами єдиним параметром шорсткості, від якого залежить коефіцієнт тертя, є градієнт поверхні. В зв'язку з цим перевірена коректність визначення градієнту поверхні на підставі теорії стохастичних процесів. Для цього за допомогою програмного продукту Mathcad 2000 Professional симулювався профіль поверхні, після чого розраховувався градієнт поверхні двома способами:

· за допомогою теорії стохастичних процесів;

· не використовуючи теорії стохастичних процесів, а виходячи з того, що градієнт поверхні - це усереднене значення тангенсів кутів нахилу профілю, тобто усереднене значення абсолютної величини похідної від функції, що описує профіль поверхні.

Дослідження за описаним алгоритмом проводились при різних значеннях середньоарифметичного відхилення профілю Ra. В результаті був зроблений висновок про те, що використання теорії стохастичних процесів дозволяє з високою точністю визначити характеристики шорсткості - можлива похибка при визначенні градієнта за методом стохастичних процесів не перевищує 4,5%. Таким чином, використання теорії стохастичних процесів для опису шорсткості при розв'язуванні прикладних інженерних задач є доцільним.

На рис . 2 представлений приклад симуляції профілю поверхні, а на рис. 3 - оцінка коректності визначення градієнта поверхні за методом стохастичних процесів.

Як відомо, характеристики контакту між собою функціонально зв'язані. В той же час точність, з якою вони можуть бути виміряні, суттєво різна. Найбільш точно можна виміряти контактне зміщення. Значно меншою є точність вимірювання фактичної площі контакту. Враховуючи це, проводилась експериментальна перевірка саме контактних зміщень. Досліджувались зразки п'яти полімерних матеріалів - фторопласту 4 (ГОСТ 10007-72), капролону В (ТУ 6-05-983-73), оргскла, поліетилену високого тиску (ГОСТ 16337-77), вініпласту 0301002 (ГОСТ 5689-79). Контртіло було виготовлено із сталі ХВГ і мало шорсткість Ra = 0,025 мкм, тобто в експериментальних дослідженнях мала місце контактна схема шорстка поверхня / гладка площина. Результати експериментальних досліджень (рис. 4) задовільно узгоджуються з розробленими методами розрахунку.

Запропонована наступна методика визначення молекулярних компонент. За результатами експериментальних досліджень, проведених при фіксованій температурі T, необхідно визначити коефіцієнти тертя f_i (i=1,…,n) та розрахувати відповідні значення фактичних напружень _r,i. Після цього величини ₀, визначити з системи рівнянь, складеною за методом найменших квадратів:

. (24)

Для практичного визначення величин ₀, розроблена спеціальна програма, наведена в додатках до дисертації.

Провівши дослідження при різних температурах, можна за результатами експериментів визначити емпіричні функції ₀(T), (T). Маючи для заданого матеріалу ці функції, можна за заданими умовами тертя визначити характеристики фрикційного контакту, включаючи величини ₀, , і розрахувати коефіцієнт тертя.

Експериментальна перевірка, проведена на прикладі пари тертя композиційний матеріал Ф4С15 - сталь 45, підтвердила хорошу ефективність розробленого методу розрахунку коефіцієнту тертя .

Перевірка проводилась в два етапи - на першому етапі використовувались експериментально визначені температури в зоні контакту, на другому - розраховані на підставі модифікованої формули С.Б. Айнбіндера.

З використанням програмного продукту Mathcad 2000 Professional розроблена низка програм, що дозволяють розраховувати коефіцієнт тертя металополімерних пар та досліджувати вплив різних чинників на його величину.

A_a = 0,0011 м²; _м = 52 вт/(м·град); T_v = 20 ⁰С; q = 0,05

В розділі 5, грунтуючись на досягнутих в роботі результатах дослідження характеристик фрикційного контакту, розроблена методика розрахунку номінального контактного напруження в беззмащувальних поршневих ущільненнях компресорів, що враховує дійсну структуру контакту поршневе кільце - циліндр. Не знаючи точної величини номінального контактного напруження в поршневому ущільненні, неможливо достатньо точно розрахувати такі характеристики фрикційного контакту, як, наприклад, фактична площа контакту, фактичні напруження, температура, коефіцієнт тертя, інтенсивність зношування, плин газу в ущільненні і т.д. В результаті аналізу існуючих методів визначення номінального напруження в поршневому ущільненні, виявлено такі їх недоліки:

· не враховується напруження від пружини, що використовується для того, щоб піджати поршневі кільця;

· розрахунок будується на надмірно спрощених уявленнях про контакт поршень - циліндр: або не береться до уваги, що зі сторони дзеркала циліндра газ діє на кільце не по всій поверхні кільця, а лише по тій, що не утворює фактичної площі контакту з циліндром, або ж передбачається нереальний вид контакту - пластичний замість пружного. Якщо перший недолік легко усунути, то другий недолік усунути до цього часу було неможливо, оскільки були відсутні достатньо розвинені дослідження механіки фрикційного контакту ущільнююче кільце - циліндр. Вперше необхідні дослідження виконані в даній роботі. Це дозволило розробити метод визначення номінального напруження в контакті, що відповідає реальній картині роботи ущільнення. Грунтуючись на досягнутих в даній роботі результатах дослідження характеристик фрикційного контакту, для розрахунку номінального контактного напруження в беззмащувальних поршневих ущільненнях отримано рівняння:

 , (25)

де _n - номінальне контактне напруження в поршневому ущільненні; _f - напруження від пружини; p₁, p₂ - відповідно тиск газу перед кільцем та за кільцем; E - зведений модуль Юнга; q - градієнт поверхні; - коефіцієнт, що враховує реальний розподіл тиску по висоті кільця.

Коефіцієнт може бути розрахований за формулою І.І. Новикова:

,

де k - коефіцієнт, що враховує властивості матеріалу кільця і характер зміни тиску в циліндрі при сталому та змінному тисках; h - висота кільця, мм.

Рівняння для визначення номінального контактного напруження в беззмащувальних поршневих ущільненнях пропонується розв'язувати за допомогою спеціально розробленої програми, наведеної в додатках до дисертації.

В результаті порівняння різних методів визначення номінального контактного напруження в беззмащувальних поршневих ущільненнях зроблено висновки про:

· доцільність врахування наявності пружини при визначенні номінального контактного напруження;

· необхідність врахування структури реального контакту між ущільнюючим кільцем та циліндром.

ВИСНОВКИ

1. На основі теорії стохастичних процесів розроблено методи моделювання сильно анізотропних шорстких поверхонь. Ці методи були успішно застосовані до вивчення беззмащувальних поршневих ущільнень, але можуть бути застосовані і при вивченні інших контактних явищ з участю сильно анізотропних шорстких поверхонь (герметичність, електричні та теплові явища в зоні контакту і т.д.). За допомогою програмного продукту Mathcad 2000 Professional розроблено методи симуляції профілю шорстких поверхонь, які можуть використовуватись при моделюванні різних контактних явищ.

2. Отримано основне рівняння контактування металополімерних беззмащувальних поршневих ущільнень, що дало змогу розробити інженерні методи розрахунку основних характеристик фрикційного контакту беззмащувальних поршневих ущільнень - фактичної площі контакту, фактичного контактного напруження, рівня деформації, контактного зміщення, приросту температури, коефіцієнту тертя.

3. Запропоновано методику визначення молекулярних компонент сили тертя за результатами прямих експериментальних досліджень. Експериментальна перевірка розроблених розрахункових методів; а також методики експериментального визначення величин, необхідних для обчислення коефіцієнту тертя ковзання, довели їх ефективність.

4. Досліджено залежність основних характеристик фрикційного контакту від параметрів шорсткості, навантажень та фізико-механічних властивостей фрикційної пари. Зокрема встановлено, що найбільший вплив на коефіцієнт тертя мають фізико-механічні властивості матеріалів (молекулярні компоненти коефіцієнту тертя та зведений модуль Юнга) та параметри шорсткості (градієнт поверхні).

5. Грунтуючись на досягнутих в роботі результатах дослідження характеристик фрикційного контакту, розроблено методику розрахунку номінального контактного напруження в беззмащувальних поршневих ущільненнях компресорів, що враховує дійсну структуру контакту поршневе кільце - циліндр.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Семенюк Н.Ф., Калда Г.С., Соколан Е.С. Оценка контактных температур бессмазочных поршневых уплотнений // Збірник матеріалів III науково-технічної конференції Української технологічної академії "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва". - Хмельницький: ТУП. - 1995. - С. 109.

2. Ceменюк Н.Ф., Калда Г.С., Соколан Е.С. Стохастический метод расчета температуры фрикционного контакта // Проблеми сучасного машинобудування. - Хмельницький: ТУП. - 1996. - С. 91 - 92.

3. Семенюк Н.Ф., Калда Г.С., Соколан Е.С. Использование метода случайных полей при расчете параметров шероховатости, влияющих на тепловые процессы в трущихся телах // Проблеми трибології. - 1996. - № 1. - С. 21 - 23.

4. Соколан Е.С. Анализ методов расчета температур при трении твердых тел // Проблеми трибології. - 1998. - № 2. - С. 46 - 51.

5. Соколан К.С. Статистичний метод визначення температур у тілах, що труться // Вісник Технологічного університету Поділля. - 1999. - №1. - С. 12 - 16.

6. Соколан К.С., Семенюк М.Ф. Розрахунок фактичної площі контакту в беззмащувальних поршневих ущільненнях // Збірник праць міжнародної науково-технічної конференції RoM 2000 "Надійність машин та прогнозування їх ресурсу". В двох томах. - Том 2. - Івано-Франківськ: Факел. - 2000. - С. 501 - 509.

7. Семенюк М.Ф., Соколан К.С. Кривизна у вершинах виступів поверхонь тертя поршневих ущільнень // Проблеми трибології. - 2000. - № 2. - С. 28 - 34.

8. Семенюк М.Ф., Соколан К.С. Коефіцієнт тертя в металополімерних парах // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2000. - № 5, частина 1. - С. 95 - 98.

Размещено на Allbest.ru

...