Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методи контактної трибомеханіки мастильних шарів і моделі зношування при граничному терті

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. З розвитком техніки вузли машин стають все більш досконалими і, як наслідок, все більш складними і дорогими. Тому підвищення ресурсу машин є актуальною технічною та економічною проблемою як виробників техніки, так і тих, хто займається її експлуатацією та обслуговуванням. Відомо, що велика кількість деталей вузлів тертя машин (80…90%) при виконанні свого функціонального призначення деградує або катастрофічно руйнується в результаті зношування їх поверхонь. Одним з визначальних чинників підвищення довговічності вузла тертя є правильний вибір мастильних матеріалів та присадок до них. Це можливо лише при комплексному дослідженні впливу мастильного матеріалу на працездатність вузлів тертя на всіх етапах життя машини. В даний час ринок заповнений великою кількістю товарних змащувальних матеріалів як вітчизняного, так і імпортного виробництва. Відсутність надійних і достовірних методів контролю і випробувань за основними показниками працездатності мастил у вузлах тертя призводить до численних відмов дорогої техніки і великих матеріальних витрат. Визначальним для прогнозування довговічності змащених вузлів тертя машин є оцінка і аналіз процесів, які відбуваються в зоні змащеного контакту деталей машин. Побудова математичних моделей контактної взаємодії на стадії проектування конструкції дозволяє аналізувати вплив різних чинників на зносостійкість, знаходити слабкі місця в конструкції і розробляти шляхи її вдосконалення. Визначення параметрів моделей вимагає проведення випробувань, які б найбільш адекватно відповідали реальним умовам роботи вузла тертя.

Зв`язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно з пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки «Новітні технології й ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі», сформульованому в Законі України «Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки» від 11.07.2001 р. №2623-III; середньостроковим пріоритетним напрямом «Машинобудування і приладобудування як основа високотехнологічного відновлення усіх галузей виробництва» (стаття 8 Закону України «Про пріоритетні напрямки інноваційної діяльності в Україні», планом проведення науково-дослідних робіт Хмельницького національного університету у відповідності з бюджетними роботами МОН України: «Створення системи розрахункових методів триботехнічної надійності конструкцій» (№ДР 0199V003042), «Розробка ресурсозберігаючих технологій зміцнення, методів випробувань і розрахунків контактних поверхневих шарів деталей машин» (№ДР 0106U001004), «Розробка і реалізація принципово нових методів розрахунків і випробувань на знос» (№ДР 0107U000953). Дослідження проводились також на замовлення Міністерства аграрної політики України (Договір №22-07/2004) «Розробка дослідного зразка випробувального обладнання і рекомендації з оцінки експлуатаційних властивостей всіх типів моторних масел з визначенням термінів заміни» (№ДР 0105U002780).

Мета і завдання дослідження. На основі комплексу експериментальних і теоретичних досліджень триботехнічних процесів при контактній взаємодії змащених поверхонь тертя розробити методи дослідження контактно-деформаційних і триботехнічних властивостей мастильних шарів і створити моделі зношування змащених вузлів тертя для оцінки їх зносостійкості.

У відповідності з метою роботи розв'язувалися наступні основні завдання наукового дослідження:

1. Дослідити вплив мастила на статичні контактно-деформаційні властивості поверхневого шару, розподіл напружень та зміну мікроструктури.

2. Розробити експериментально-теоретичний метод та дослідити деформаційні властивості змащеної поверхні при динамічному навантаженні.

3. Розробити метод визначення дотичних деформаційних властивостей мастильного шару на основі експериментальної функції зсуву і отримати залежності для контактних параметрів.

4. На основі експериментальних і теоретичних досліджень характеристик тертя і контактно-в'язкісних властивостей мастильних матеріалів встановити закономірності і триботехнічні параметри при відносному русі змащених поверхонь.

5. Розробити контактну механіку взаємодії твердого індентора з пластичним середовищем і дослідити вплив деформаційних характеристик пластичних мастил на трибологічні характеристики контакту.

6. Розвинути теоретичну базу методів випробувань на знос шляхом математичного опису процесу зношування зразків.

7. Розробити експериментально-теоретичний метод оцінки зносостійкості змащених вузлів тертя на основі випробувань і розв`язків зносоконтактних задач.

8. Розробити ефективні заходи щодо збереження і відновлення мастильного шару на поверхнях тертя.

Об`єкт дослідження ? процеси контактної взаємодії, тертя та зношування на змащених поверхнях трибосистем та в розділяючому граничному шарі.

Предмет дослідження - контактно-деформаційні і триботехнічні властивості поверхневих шарів і моделі зношування при граничному змащуванні.

Методи дослідження. Теорія диференціальних рівнянь, що описують контактну взаємодію у вузлах тертя із зносом, методи розв`язку нелінійних алгебраїчних рівнянь; варіаційне числення, експериментальні методи визначення контактно-деформаційних і триботехнічних властивостей мастильних матеріалів; використання спеціальної випробувальної апаратури для визначення властивостей поверхневих шарів. При обробці результатів теоретичних і експериментальних досліджень використані методи комп'ютерного моделювання, математичної статистики і комп`ютерні пакети прикладних програм.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті комплексу експериментальних і теоретичних досліджень розвинений новий науковий напрямок - контактна трибомеханіка змащених поверхонь деталей машин в умовах граничного тертя. При цьому отримані наступні наукові результати:

1. Сформульована і обґрунтована гіпотеза про контактно-деформаційний механізм зменшення зносу змащених поверхонь на основі порівняльних експериментальних досліджень по статичному і динамічному вдавлюванню індентора при рухомому і нерухомому контакті.

2. Встановлені аналітичні залежності для визначення величини зусиль і деформацій при динамічній контактній взаємодії змащених поверхонь на основі вимірювань тривалості контакту. За допомогою отриманих діаграм деформацій вперше кількісно оцінений вплив мастильного шару на розподіл контактного тиску на основі розв`язку контактної задачі експериментально-теоретичним методом.

3. На основі контактної механіки кручення тонкого шару мастила між навантаженими дисками отримані аналітичні співвідношення для визначення параметрів діаграми зсуву мастильного шару як залежності дотичних напружень від деформацій.

4. Запропоновані стохастичні показники і аналітичні співвідношення для аналізу процесу тертя на основі експериментальних і теоретичних досліджень процесу руху тіла по змащеній і сухій поверхнях.

5. Розвинені уявлення про вплив матеріалів і навантажень на в'язкісні властивості контактних мастильних шарів за допомогою нового методу визначення приведеної динамічної в`язкості на основі побудови диференціального рівняння затухаючих коливань системи з в`язким опором.

6. Введена нова характеристика контактно-деформаційних властивостей пластичних матеріалів - динамічна твердість як залежність тиску опору вдавлюванню індентора від часу деформації і розроблений метод її визначення на основі механіки контактної взаємодії індентора з поверхнею пластичного матеріалу, що має властивість повзучості.

7. Вперше проведений математичний опису процесу зношування зразків для випробувань мастильних матеріалів за чотирикульковою схемою, в результаті чого отриманий розв`язок зносоконтактної задачі для розмірів площадки зносу у вигляді нелінійного алгебраїчного рівняння.

8. На основі розв`язку обернених зносоконтактних задач для різних схем випробувань мастильних і конструкційних матеріалів отримані розрахункові залежності для параметрів запропонованої двофакторної моделі зношування (вплив тиску та швидкості ковзання) у вигляді безрозмірних комплексів.

9. Встановлена аналітична умова незмінності площі масломістких гвинтових канавок в контакті циліндричних сполучень та теоретично обґрунтована нова форма маслоутримувального профілю змінної глибини з підвищеною несучою здатністю і мінімальними витіканнями мастильного матеріалу.

Практичне значення одержаних результатів. На основі виконаних експериментальних і теоретичних досліджень вирішена проблема прогнозування ресурсу і підвищення зносостійкості змащених вузлів тертя технологічних і транспортних машин.

1. Розроблена методика визначення динамічної твердості для характеристики і порівняння деформаційних властивостей пластичних матеріалів при сертифікаційних випробуваннях і створенні нових типів мастил. Методика прийнята до впровадження у випробувальній лабораторії ТОВ «ХЕКРО ПЕТ Лтд» (м. Хмельницький).

2. Спосіб вимірювання коефіцієнта тертя рекомендований для дослідження характеристик тертя технічних поверхонь, модифікованих різними способами: нанесення покриттів, маслоутримувальні профілі, поверхнево-пластична обробка, оптимізація шорсткості та ін. (Пат. №7822).

3. Методика визначення динамічної в'язкості за допомогою маятникового пристрою рекомендується для порівняльних випробувань контактно-в'язкісних характеристик мастильних матеріалів у виробничих умовах (Пат. №12011).

4. Методику розрахунку довговічності змащених вузлів тертя проектуємого устаткування і оцінки впливу дії мастильного матеріалу на зносостійкість за допомогою комплексного критерію інтенсивності зношування впроваджено на ВАТ «Червона зірка» (м. Кіровоград).

5. Методика сертифікаційного контролю мастильних матеріалів прийнята до впровадження на підприємствах: АФ «Либідь-Авто» ВАТ» Українська автомобільна корпорація «УкрАвто» (м. Київ), ЗАТ «Запорізький автомобілебудівний завод - ХРП «ЗАЗ-сервіс» (м. Хмельницький). Проведена технічна експертиза якості мастильних матеріалів на замовлення ТзОВ «АВІАС» (м. Дніпропетровськ), за результатами якої зроблений висновок про можливість її застосування на підприємстві.

6. Технології, конструкції інструментів і устаткування для нанесення маслоутримувальних профілів (Пат. №25849) рекомендовані для підвищення масломісткості робочих поверхонь деталей металорізального і ковальсько-пресового обладнання на ВАТ «Червона зірка» (м. Кіровоград) та ВАТ «АДВІС» (м. Хмельницький).

7. Наукові положення, отримані в дисертаційному дослідженні, впроваджені у навчальний процес кафедри зносостійкості і надійності машин Хмельницького національного університету при викладанні дисциплін «Вузли тертя та мащення машин», «Триботехніка та основи надійності машин», «Поверхневі фізико-хімічні процеси», «Методи трибологічних випробувань».

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, які захищаються автором, отримані ним особисто [8, 11?13, 15, 18, 25, 31, 33, 34, 37, 42, 47, 48]. В монографіях [1,2] систематизовані результати дисертаційного дослідження. Аналіз сучасного стану досліджень мастильних матеріалів здійснений у статті [10]. В роботах [4, 23, 29, 40] здобувачем запропоновані моделі зношування, розроблені методи розрахунку параметрів цих моделей і проведена оцінка їх точності, апробовані моделі зношування для вузла турбокомпресора. В [5, 10, 17, 29, 38] розв'язана контактна задача із змащенням, обґрунтований вплив енергетичного і напруженого стану поверхні на знос, розроблена контактна механіка зсувних параметрів мастильного шару. У роботах [21, 24, 35, 43] особисто отримані залежності для параметрів динамічної твердості мастил, проведені випробування і оброблені результати. У статті [20] побудоване рівняння рівноваги деформованої краплі масла. Отримані залежності і запропоновані статистичні характеристики тертя в [26, 27]. У роботах [30, 32, 36, 41] особисто встановлена умова постійності умов змащування, запропонований змінний мастильний профіль. Участь у розробці експериментальних пристроїв полягала у проектуванні робочого вузла пристрою тертя, установки для досліджень ударних процесів, маятникового пристрою, розробці способів вимірювань деформацій і тривалості контакту [7, 14, 19, 23, 45]. У роботах [39, 40, 44, 46] здобувачем запропонована загальна методологія розрахунку зносостійкості змащених вузлів тертя, узагальнені висновки і визначені способи використання результатів досліджень. Вирішення математичних проблем, постановка задач та обговорення отриманих результатів та висновків проведені разом з науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Отримані результати роботи представлялися і обговорювалися на наукових симпозіумах, конференціях і семінарах: «IV, V, VI, VII, VII міжнародному симпозіумі українських інженерів механіків у Львові» (Львів, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007); міжнародній науково-технічній конференції «Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в машинобудуванні та металургії» (Краматорськ, 1999); міжнародній науково-технічній конференції «Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин» (Хмельницький, 2000, 2001); «IV міжнародному симпозіумі з трибофатики» (ISTF-4) (Тернопіль, 2002); міжнародній науково-технічній конференції «Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2003)» (Очаків, 2003); I українсько-польській науково-технічній конференції «Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції та підприємництва» (Сатанів, 2003); I міжнародній науково-технічній конференції «Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин» (Тернопіль, 2004); ХI науково-технічній конференції в м. Севастополі «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2004); науково-технічній конференції «Сучасні проблеми математичного моделювання, прогнозування та оптимізації» (Кам`янець-Подільський, 2004); міжнародній науково-технічній конференції «Приборостроение 2004» (Кореіз, 2004); I, II міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми триботехніки», (Миколаїв, 2005, 2007), II польсько-українській науковій конференції «Техніко-економічне сприяння розвитку підприємництва» (Краків, Польща, 2005), 7th Іnternational Symposium «Energy and Enviromenttal Aspects of Tribology - INSYCONT 2006» (Cracow, Poland, 2006), V міжнародній конференції молодих вчених «Механіка і інформатика» (Закопане, Польща, 2007), міжнародній науково-практичній конференції «Ольвійський форум: стратегії України в геополітичному просторі» (Ялта, 2007, 2008), III міжнародній науковій конференції «Новітні матеріали і технології у будові та експлуатації машин», (Кам`янець-Подільський, 2007), VI міжнародній конференції молодих вчених «Інформатика та механіка» (Кам`янець-Подільський, 2008), міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми машинознавства», (Київ, НАУ, 2008).

Дисертаційна робота в цілому обговорювалась на наукових семінарах Національного авіаційного університету (м. Київ), Кіровоградського національного технічного університету, НДТІ Харківського національного технічного університету сільського господарства.

Публікації. Результати дисертації відображені у 48 публікаціях: дві монографії (обсягом 20,9 і 10,7 ум. друк. арк.), 30 статей у провідних фахових журналах (з них 11 без співавторів), 4 статті в збірниках праць, 4 патенти, а також 6 праць у матеріалах та тезах конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів оригінальних досліджень, висновків, додатків та списку використаних джерел. Вона містить 399 сторінок, із них 309 сторінки основного тексту, 109 рисунків і 29 таблиць, 5 додатків на 59 с., список використаних джерел з 305 найменувань на 29 с.

Основний зміст роботи

мастило індектор деформаційний

У вступі розкрито важливість обраної проблеми досліджень, обґрунтовано актуальність теми дисертації, мету і завдання дослідження, сформульовано наукову новизну одержаних результатів, зазначено практичну цінність використання й впровадження результатів дослідження, вказані дані про апробацію основних положень дисертації.

У першому розділі проаналізований сучасний стан досліджень контактної взаємодії і зношування поверхонь тертя у присутності мастильного матеріалу. Показано, що основою для розробки теоретичних і експериментальних методів прогнозування довговічності за зносом є розв`язок зносоконтактних задач. При цьому з урахуванням прийнятої моделі зношування, геометрії контакту, умови рівноваги будується і розв`язується система інтегро-диференціальних рівнянь з визначенням зносу і контактного тиску. Вказано, що значний внесок у розв`язок таких задач зробили: О.С. Проніков, Л.А. Галін, М.М. Добичін, І. В. Горячева, І. А. Солдатєнков, М. І. Теплий, М.В. Чернець, А.Г. Кузьменко, О.Б. Богатін, В.А. Моров, І. М. Черський, М.Ф. Семенюк, В.М. Александров, Г.Я. Гінцбург та ін.

Встановлено, що в більшості відомих досліджень недостатньо врахований вплив одного з головних чинників тріади тертя - мастильного матеріалу на розподіл контактного тиску і відповідно знос поверхонь. Від вибору форми і визначальних факторів моделі зношування залежить точність і достовірність прогнозування довговічності трибосполучення в цілому. Спроби врахування в моделях зношування реальних факторів роботи вузлів тертя, в тому числі і змащування, здійснили в своїх роботах М.М. Хрущов, Л.Ю. Пружанський, Ю.М. Дроздов, Б. І. Костецький, І. В. Крагельський, В.В. Шевеля, Л. І. Бершадський та ін. Як визначальні фактори процесу зношування в більшості моделей прийняті контактний тиск, швидкість ковзання, температура. Решта конкретних умов роботи трибосполучення враховується параметрами закону зношування, які можуть бути визначені тільки експериментально. Таким чином, для побудови адекватних моделей тертя та зношування необхідні лабораторні випробування. При цьому вибір схеми випробувань, форми зразків, типів матеріалів, кінематичних і силових умов є важливою і складною задачею.

Вагомий внесок у лабораторні дослідження властивостей мастильних і конструкційних матеріалів, а також у розвиток і систематизацію методів випробувань внесли: Г. Арчард, А. Камерон, А.С. Ахматов, Х. Чихос, Р.М. Матвєєвський, І. І. Карасік, Г.М. Сорокін, Е.Д. Браун, М.В. Райко, В.В. Гриб, М.М. Хрущов, М.Ф. Дмитриченко, Р.Г. Мнацаканов, Є. С. Венцель, В.А. Войтов, Ю.С. Заславський, М.К. Мишкін, М. Щерек та ін.

Встановлено, що для розв`язку важливої науково-прикладної проблеми трибології у сучасних умовах - достовірного прогнозування ресурсу роботи змащених вузлів тертя - необхідний комплекс експериментальних і теоретичних досліджень контактно-деформаційних і триботехнічних властивостей контактних мастильних шарів та їх вплив на довговічність роботи вузлів тертя машин, що формує науковий напрямок - контактна трибомеханіка змащених вузлів тертя.

У другому розділі представлені результати комплексу експериментально-теоретичних досліджень контактно-деформаційних властивостей змащених поверхневих шарів. З метою дослідження впливу мастильного матеріалу на умови деформації проведені порівняльні випробування по вдавлюванню сферичного індентора в суху і змащену поверхню безперервним статичним навантаженням. Умови випробувань були наступні: матеріал - сталь 45; мастило - Литол-24; індентор - кулька діаметром d = 10 мм зі сталі ШХ15; навантаження - 10⁵ Н. За допомогою «методу сіток» були проаналізовані умови деформації для сухого і змащеного контакту і побудовані діаграми відносної деформації матеріалу углиб поверхні досліджуваних зразків.

Аналіз отриманих результатів показав наступне:

- глибина вдавлювання індентора в змащену поверхню більша ніж у суху в середньому на 8-10%;

- відносна деформація вглиб від поверхні зразка по осі лунки деформації описується строго лінійною закономірністю для змащеного контакту і нелінійною для сухого, що вказує на ускладненість процесу деформування.

Менша глибина деформації при сухому контакті пояснюється більшими витратами енергії на подолання контактного тертя ніж на подолання шару мастильної плівки при змащеному контакті.

Для аналізу процесу деформації при сухому і змащеному контакті були проведені дослідження мікроструктури матеріалу за допомогою мікроскопа МЕТАМ Р-1. У результаті аналізу будови матеріалу в зоні лунок деформації встановлено:

- для змащеного контакту шар деформованих зерен має майже однакову товщину по границі лунки деформації;

- при сухому контакті товщина шару деформації максимальна в центрі лунки деформації і зменшується до її країв.

При сухому контакті поверхні зчіплюються внаслідок контактного тертя і деформування матеріалу відбувається в основному углиб по осі деформації, утворюючи в поверхневому шарі напруження стиснення. При взаємодії через шар мастильного матеріалу метал поверхневого шару деформується (розтікається) в радіальному напрямку, формуючи рівномірно розподілені по границі лунки деформації напруження стиску. Це обумовлює зниження концентрації недосконалостей кристалічної будови (вакансій, дислокацій) у поверхневому шарі і сприяє підвищенню зносостійкості в порівнянні з контактом без змащування.

Умови деформації для сухого і змащеного контакту були досліджені також для схеми, коли сферичний індентор рухався вздовж поверхні зразка з малою швидкістю. Кульковий індентор 2 (рис. 3) навантажувався осьовою силою через систему важелів 3. Зразок 1 з нанесеною пробою мастильного матеріалу повільно рухався в поздовжньому напрямку. Індентор втискався в суху поверхню навантаженням N і переміщувався до входу в змащену зону. При цьому за допомогою системи тензодатчиків і комп'ютерної обробки проводилось вимірювання та індикація глибини вдавлювання і сили опору руху для двох зон проходження індентора (див. рис. 3). Умови випробувань були наступними: матеріал індентора - сталь ШХ15; матеріал зразка - латунь ЛС59; швидкість руху зразка - мм/с; навантаження - Q = 2,5 Н; точність вимірів глибини вдавлювання - 1 мкм; сили опору - 0,02 Н.

Залежності глибини вдавлювання і сили опору індентора від переміщень для двох типів моторних масел. В результаті проведених випробувань встановлено:

- для всіх мастильних матеріалів глибина вдавлювання індентора при входженні в змащену область зростає;

- сила опору при проходженні з малою швидкістю індентора по змащеній поверхні також зростає, що обумовлене заглибленням індентора.

Отримані експериментальні результати однозначно підтверджують полегшення деформацій у контакті змащених поверхонь. Взаємне зближення при цьому змащених поверхонь у контакті відбувається на більшу величину, формуючи більшу площу контакту.

При моделюванні реального контакту поверхонь у вигляді системи сферичних нерівностей з гладкою поверхнею більш інтенсивна і ненапружена деформація нерівностей у змащеному контакті в початковий період роботи триботехнічних сполучень сприяє прискоренню процесу припрацювання, формуванню врівноваженої шорсткості, стабілізації і зменшенню контактного тиску на фактичних плямах контакту, а в результаті - до уповільнення інтенсивності зношування.

Таким чином, поряд з механізмом зменшення зношування за рахунок утворення адсорбованих або хімічно-модифікованих граничних плівок із зниженим опором зсуву, запропонований і обґрунтований контактно-деформаційний механізм зменшення зношування в присутності мастильного матеріалу. На відміну від ефекту Ребіндера в даному механізмі полегшена деформація поверхневого шару пов`язана не з адсорбційним зниженням міцності поверхні, а зменшенням контактного тертя при застосуванні мастильних матеріалів.

Реальний контакт нерівностей відбувається, як правило, в умовах динамічної взаємодії. Так, наприклад, при відносному переміщенні шорстких поверхонь із швидкістю 1 м/с і радіусом нерівностей 10 мкм тривалість контакту нерівностей складає 10-⁵ с, що притаманне динамічній (ударній) взаємодії. Процеси деформації при динамічному контакті сферичного індентора і площини були досліджені при вдарянні еталонної кульки із сталі ШХ15, підвішеної на жорсткому підвісі, в змащену площину. Початкова швидкість удару кульки встановлювалась її відхиленням на заданий кут. Метою дослідження було встановлення залежності величини деформації від зусилля в контакті. Для визначення величин зусиль і деформацій при випробуваннях були отримані аналітичні співвідношення (1) в залежності від тривалості контакту кульки і площини , швидкості кульки V₁ і коефіцієнта відновлення k:

; . (1)

Тривалість контакту при ударі вимірювалась за допомогою спеціального електронного приладу з точністю вимірювань 10-⁶ с.

Під час вдаряння електричний ланцюг між кулькою та поверхнею замикався та формувався імпульс, тривалість якого дорівнювала тривалості контакту. При цьому був застосований кварцовий генератор імпульсів з частотою 1 МГц і результати вимірювань фіксувались цифровим індикатором.

В результаті отримані залежності сили удару від деформацій у контакті для різних станів контактуючих поверхонь (рис. 6). За експериментальними даними була проведена степенева апроксимація у вигляді залежності сили удару Q від переміщень у контакті и з параметрами c та n: . Параметри діаграми деформації для проведених випробувань, отримані за допомогою програми Excel, представлені в таблиці 1.

Таблиця 1. Параметри діаграми деформації при динамічному контакті кульки і площини

Вид мащення	c, Н/мкмn	n
Без мащення	1,027	2,041
Моторне масло Q8 Formula	1,289	1,97
Консистентне мастило Литол-24	2,707	1,778

З метою встановлення впливу мастильного матеріалу на розподіл контактного тиску діаграми деформації (див. рис. 6) були використані для розрахунку параметрів контакту сферичного індентора і площини на основі методу експериментально-теоретичної рівноваги. Для цього була побудована функція F як інтегральна сума відхилень експериментальної функції деформації від умови рівноваги сфери при контакті з площиною у вигляді:

, (2)

де R ? радіус кульки; - тиск в контакті; , - поточні та максимальні переміщення в контакті кульки і змащеної поверхні.

У результаті розв`язку шляхом мінімізації функції (2) отримана залежність для контактного тиску (3) і наведені приклади його визначення (рис. 7) для отриманих діаграм деформацій (див. рис. 6).

. (3)

Аналіз отриманих залежностей показує, що для змащеного контакту максимальний контактний тиск менший ніж для незмащеного при однаковому зусиллі вдаряння - 10³ Н.

Тобто внаслідок полегшеної деформації через мастильну плівку зовнішнє навантаження розподілене по більшій площі контакту. Це призводить до зменшення контактного тиску, що як визначальний фактор процесу зношування обумовлює сповільнення інтенсивності зношування в умовах змащеного контакту.

Для кількісної оцінки дотичних властивостей контактного шару мастила розроблений експериментально-теоретичний метод побудови діаграми зсуву мастильного шару як залежність тангенціальних напружень від зсувних деформацій у вигляді:

, (4)

де , - параметри функції зсуву мастильного шару; - зсувна деформація мастильного шару.

Для реалізації запропонованого методу шар мастильного матеріалу розташовувався між двома дисками, навантаженими нормальним навантаженням. Ведучий нижній диск від приводу повільно повертався на кут і захоплював через змащення верхній диск, який повертався на кут . Вимірювались кути повороту і момент опору при зсуві. Мастильний матеріал між дисками чинив опір зсуву до повного проковзування. В результаті випробувань будувалася експериментальна залежність моменту опору M від відносного кута повороту у вигляді степеневої апроксимації: з параметрами та . Умова рівноваги деформованого мастильного шару представлялась у вигляді:

, (5)

де - дотичні напруження; - радіальна координата точки мастильного шару; - діаметр мастильного шару.

У результаті було побудоване рівняння розв`язку як рівність експериментальної залежності для моменту M і умови рівноваги (5) у вигляді:

. (6)

З рівняння (6) параметри функції зсуву (4) мастильного шару товщиною розраховувались за формулами:

. (7)

Як приклад побудована функція зсувних напружень для пластичного мастила Литол-24: (Па).

У третьому розділі на основі запропонованих оригінальних методів проведені дослідження триботехнічних властивостей контактних змащених поверхневих шарів.

Базовою характеристикою рідких мастильних матеріалів є поверхневий натяг, який є визначальним фактором для характеристики процесів, що відбуваються при взаємодії мастильних матеріалів з твердою поверхнею, таких як: змочування, змащування, адсорбція до твердої поверхні, хімічна взаємодія між мастильним матеріалом і поверхнею деталі. Відомі методи визначення поверхневого натягу використовують рідини у вільному, ненавантаженому стані, що не відповідає реальним умовам роботи. В даному дослідженні обґрунтований оптико-механічний метод визначення поверхневого натягу на основі побудови рівняння рівноваги ділянки мастильного шару між навантаженими силою пластинами. В припущенні, що сферична проба масла об`єму приймала після деформування форму диска радіусом , з рівняння рівноваги поверхневий натяг визначався за наближеною залежністю:

. (8)

За схемою деформування проби масла між прозорими дисками проведені випробування деформаційних (жорсткісних) властивостей контактних мастильних шарів шляхом встановлення залежності між навантаженням і товщиною шару мастила . Товщина шару визначалась як: .

Результати досліджень для різних масел показали кореляцію жорсткісних властивостей мастильних шарів з їх в`язкістю і густиною.

За допомогою схеми руху тіла по похилій площині проведені аналітичні дослідження параметрів тертя для моделей в умовах сухого і змащеного контакту. На основі розв`язку диференціальних рівнянь руху адгезійну складову сили тертя запропоновано визначати за переміщенням двох зразків вагою та на відстань по похилій площині за формулою:

. (9)

Для змащеного контакту встановлені рівняння для визначення параметра в`язкого тертя :

; ; , (10)

де - параметр системи; - маса вантажу; - час руху, який відповідає шляху ; - кут нахилу площини.

На базі комп'ютеризованого комплексу LRX-E проведені порівняльні дослідження сил тертя при поступальному русі навантаженої пластини згідно стандарту ASTM D1894. Для різних умов мащення і навантаження були отримані залежності сили тертя від переміщень .

Встановлено, що сила тертя в усіх випадках змінюється стохастично, тому запропоновано процес її зміни характеризувати не детермінованими параметрами, а середнім значенням , середньоквадратичним від-хиленням , коефіцієнтом варіації , мінімальним , максимальним значенням і діапазоном зміни сили тертя (див. рис. 9, табл. 2).

Таблиця 2. Стохастичні параметри тертя при русі пластини по плоскій поверхні

Параметр тертя							,	, мкм	, Н
М 10-Г2	0,41	3,81	3,4	1,9	0,72	0,37	4	208	0,97
Литол-24	4,42	5,49	1,07	4,92	0,27	0,05	2,1	400	0,45

У результаті аналізу експериментальних значень характеристик тертя встановлено:

1. При сухому контакті шліфованої пластини зі столом мають місце відносно невеликі сили тертя внаслідок малої адгезії до захисної плівки на поверхні столу (вороніння).

2. При русі по шару моторного масла сила тертя порівняно з сухим контактом знаходиться приблизно на тому ж рівні, що пов'язано з високою адгезією масла при малих швидкостях ковзання. Найбільш суттєво це виявляється при застосуванні пластичного мастила Литол-24.

3. Величина розсіювання сили тертя зменшується при зростанні навантаження при сухому і змащеному контакті внаслідок збільшення жорсткості.

При русі пластини з малою швидкістю ( мм/хв) мають місце переходи від тертя руху до тертя спокою (стрибкоподібний рух). Для характеристики такого руху запропоновані параметри: кількість стрибків за одиницю часу -; переміщення в контакті до зсуву -; сила опору до зсуву - (див. табл. 2). Встановлено, що найбільша частота коливань сили тертя має місце при сухому контакті, коли діють слабкі сили адгезії і стрибки сили тертя повторюються частіше, ніж при змащеному контакті. Пластичні мастила мають кращі демпфірувальні властивості, оскільки стрибки тертя відбуваються з малою частотою.

Для оцінки трибопараметрів зразків, модифікованих різними технологіями і видами мащення був удосконалений спосіб визначення коефіцієнта тертя за допомогою маятникового пристрою. Для забезпечення прямолінійності руху по поверхні плоского зразка в підвісі маятника довжиною була встановлена коаксіальна втулка з пружним елементом. Під час випробувань на поверхню зразка наносився шар мастильного матеріалу, а кулька - контрзразок масою піднімалася на заданий кут і робила зворотно-коливальні рухи, ковзаючи по поверхні зразка із затуханням. Контролювались кути відхилення після коливань або кількість коливань до зупинки контрзразка. Сила від пружного елемента визначалась за формулою: , де - характеристика пружного елемента; , - поточні і максимальні деформації елемента під час деформації; - ширина зразка. На основі закону Кулона була отримана формула для коефіцієнта тертя:

. (11)

Для виключення похибок від тертя в елементах пристрою була знята дисипативна характеристика пристрою (рис. 10) як залежність кута відхилення від кількості вільних коливань . З урахуванням характеристики тертя і нехтуючи силою пружного елемента формула для коефіцієнту тертя набула вигляду (при вимірюванні кількості коливань до повної зупинки контрзразка):

. (12)

Отримані значення коефіцієнту тертя збігаються з літературними даними (розходження в межах 10%), що дозволяє рекомендувати запропонований спосіб для порівняльних випробувань порівнювати антифрикційних властивостей мастильних матеріалів і поверхонь зразків, модифікованих різними технологічними способами.

З метою дослідження впливу мастильних матеріалів на процеси тертя та зношування запропонований експериментально-аналітичний метод визначення приведеної динамічної в'язкості. Досліджуваний шар масла розташовувався у зазорі циліндричної опори ковзання (рис. 11) маятникового пристрою. Для розв`язку задачі процес затухаючих коливань системи аналітично описаний диференціальним рівнянням другого порядку з в'язким опором у вигляді:

, (13)

е - коефіцієнт затухань; - маса маятника; - товщина шару масла; - довжина маятника; - радіус опори; - ширина опори.

На основі побудованого рівняння отримана залежність для визначення динамічної в`язкості контактного мастильного шару:

, (14)

При випробуваннях фіксувався кут відхилення і період коливань маятника, а коефіцієнт затухань визначався за залежністю:

.

Проведені дослідження залежності приведеної в`язкості від навантаження і різних типів конструкційних і мастильних матеріалів. Встановлено, що для всіх матеріалів при змащуванні рідкими маслами з підвищенням навантаження в'язкість збільшується. При змащуванні консистентним мастилом в'язкісні характеристики практично не змінювались, що вказує на недостатню чутливість запропонованого методу для неньютонівських рідин. Отримані значення характеристик в`язкості мастильних матеріалів різнились для комбінації конструкційних матеріалів (оргскло, латунь, бронза, мідь).

Аналіз результатів для різних типів конструкційних матеріалів показав, що динамічна в'язкість змінюється від найменшого до найбільшого значень у порядку: оргскло - латунь - бронза - мідь. Це обумовлено різною адгезією масел до поверхонь матеріалів. Сила адгезії була оцінена за крайовим кутом змочування (табл. 4), який вимірювався для досліджуваних матеріалів за допомогою оптичного методу за проекцією на екран і фотографуванням краплі досліджуваної рідини.

Таблиця 4. Результати вимірювань кута змочування

Матеріал	Оргскло	Латунь	Бронза	Мідь
Кут змочування, град	41	29	23	19
	0,755	0,875	0,921	0,945

Отримані дані корелюють із показниками приведеної динамічної в'язкості. Більш сильна адгезія визначає кращу зчіплюваність з поверхнею матеріалу і відповідно дає більші показники опору при відносному переміщенні мастильних шарів між твердими поверхнями. Традиційні методи вимірювань в`язкості не дозволяють враховувати контактну взаємодію мастильного шару і матеріалу, що властиве для реальних змащених вузлів.

У четвертому розділі проводились дослідження контактно-деформаційних властивостей пластичних матеріалів за запропонованою новою характеристикою - динамічною твердістю, яка встановлює залежність тиску опору вдавлювання індентора від часу деформування. Введена характеристика є більш інформативною порівняно з відомим числом пенетрації, яке має наступні недоліки:

- число пенетрації визначається в одній часовій точці (5 сек) процесу, який розвивається;

- число пенетрації мастила визначається глибиною проникнення конуса, а не тиском, який реально характеризує явище опору вдавлювання індентора.

Метод визначення функції твердості мастила ґрунтувався на розробленій у цьому розділі механіці контактної взаємодії сферичного і конічного інденторів з поверхнею пластичного матеріалу, що мав властивість повзучості.

Модель сталої повзучості мастильного матеріалу представлялась у вигляді:

(15)

де - величина лінійної повзучості; - час повзучості; - тиск під індентором; , - параметри сталої повзучості пластичного матеріалу.

Алгоритм розв`язку задачі визначення розмірів площадки деформації і параметрів повзучості та для двох типів інденторів представлений в таблиці 5.

Таблиця 5. Контактна механіка взаємодії твердого індентора з пластичним середовищем (мастилом)

Кулька-мастило	Конус-мастило
Вихідні рівняння
1. Модель сталої повзучості мастила: 2. Геометрична умова в контакті: 3. Рівняння рівноваги в контакті: 4. Експериментальна функція вдавлювання:
Розмір площадки контакту
Параметри процесу сталої повзучості ,
;	; ;

Отримані розрахункові залежності використані для побудови функції динамічної твердості пластичних матеріалів (кульковий індентор) у вигляді:

, (16)

де параметри динамічної твердості розраховувались за формулами:

; . (17)

Нижче наведені приклади визначення динамічної твердості пластичних матеріалів на основі вдавлювання конічного і сферичного інденторів.

Таблиця 6. Результати визначення динамічної твердості для пластичних матеріалів з нульовою початковою площадкою контактування

Матеріал	Параметр апроксимації	Параметр повзучості	Динамічна твердість, МПа
Пластилін	1,297	0,177	1,82	0,302
Бітум	2,403	1,803	1,77	8,943

У таблиці 7 і на рис. 13-14 показані приклади побудови функції твердості для двох типів мастил в умовах ненульової початкової площадки контакту.

Таблиця 7. Результати визначення динамічної твердості мастил

Тип індентора	Солідол С	Литол-24
Конус за ГОСТ 1440-78
Сталева кулька, R = 15 мм
Динамічна твердість, МПа

Запропонована характеристика функції динамічної твердості і методика її визначення рекомендована для оцінки і порівняння деформаційних властивостей пластичних матеріалів (консистентних мастил) при сертифікаційному контролі, експлуатації і створенні нових типів мастил. Встановлено, що характер зміни динамічної твердості в часі пов`язаний з процесом зношування: більша стабільність твердості в часі мастила Литол-24, наприклад, обумовлює більш стаціонарний режим зношування випробувальних зразків.

У п`ятому розділі розроблені моделі зношування трибосистем в умовах граничного змащування на основі випробувань і розв`язку зносоконтактних задач з урахуванням триботехнічних параметрів конструкційних і мастильних матеріалів. Проаналізовано відомий метод випробувань із змащенням за чотирикульковою схемою (ГОСТ 9490-75), згідно з яким протизношувальні властивості оцінюють за результатами вимірювань зносу кулькових зразків. Встановлено, що за відсутності рішень контактної задачі із зношуванням для вказаної схеми застосування результатів випробувань дає лише якісні оцінки, що не дозволяє переносити отримані результати на вузли тертя, які працюють в інших умовах. Іншим суттєвим недоліком чотирикулькової схеми випробувань є її обмеженість за номенклатурою матеріалів і формами випробувальних зразків.

Для кількісного опису процесу зношування зразків і на його основі удосконалення методу випробувань за чотирикульковою схемою проводився розв`язок зносоконтактної задачі з визначенням розмірів зношеної площадки контакту зразків.

На основі геометрії контакту встановлені геометричні і кінематичні співвідношення, розраховані шляхи тертя для верхньої - і нижніх кульок - та співвідношення між ними у вигляді:

, (18)

де - радіус площадки зносу для верхньої кульки; , ? радіуси верхньої і нижніх кульок.

Для розв`язку задачі були прийняті наступні вихідні рівняння:

- однофакторні моделі зношування кульок:

; ,

де - тиск у контакті; , - параметри зношування;

- геометрична умова в контакті: ;

- умова рівноваги в контакті:

,

де - навантаження на одну кульку; - площа контакту.

Після взаємних підстановок, диференціювання і перетворень побудоване диференціальне рівняння задачі визначення розмірів площадки зношування у вигляді:

, (19)

Для зразків з одного матеріалу () рівняння (19) було зведено до диференціального рівняння в повних диференціалах:

і отримано точний розв`язок у вигляді нелінійного алгебраїчного рівняння:

(20)

Наведені приклади розв`язку рівняння (20) за допомогою програми MathCad при заданих параметрах закону зношування.

Для однофакторної степеневої моделі зношування був проведений розв`язок оберненої зносоконтактної задачі з метою визначення параметрів закону зношування для умов нульової і ненульової початкової площадок контактування. Наведені дані апробації результатів досліджень для оцінки протизносних властивостей змащувально-охолоджуючих рідин бурової техніки.

Для удосконалення методів розрахункової оцінки зносостійкості змащених вузлів тертя запропонована форма закону зношування у вигляді залежності інтенсивності зношування від двох безрозмірних параметрів: навантаження і швидкості ковзання:

, (21)

де - тиск у контакті; - приведений модуль пружності матеріалів; - швидкість ковзання; - приведений радіус контактуючих тіл; - кінематична в`язкість мастильного матеріалу; - лінійний знос; - шлях тертя; - параметри моделі зношування.

На основі запропонованої моделі зношування (20) розроблений експериментально-теоретичних метод прогнозування зносостійкості найбільш поширених типів змащених вузлів тертя за допомогою розв`язку обернених зносоконтактних задач для трьох базових схем випробувань: чотири кульки (підшипники кочення, зубчасті передачі, кулачкові механізми), кулька-кільце (підшипники ковзання, шарові опори, шарнірні механізми), конус-кільце (підшипники ковзання, фрикційні гальма, конічні муфти, циліндр-поршневе кільце). Для реалізації методу запропонована модернізована конструкція робочого вузла випробувального пристрою, яка відрізняється можливістю проведення вимірювань без розбирання вузла і переналагодженням за вказаними схемами. Виготовлення конічних і кільцевих зразків технологічно значно простіше ніж кулькових, що дозволяє значно розширити номенклатуру випробувальних матеріалів.

Послідовність реалізації методу на прикладі чотирикулькової схеми наступна. Для розв`язку задачі визначення параметрів закономірності зношування (21) прийняті вихідні рівняння:

- експериментальна залежність радіусу площадки зносу зразка від шляху тертя : ;

- інтегральна форма моделі зношування (21):

,

де ; ;

- геометрична умова в контакті: ;

- умова рівноваги для рівномірно розподіленого тиску:

,

де , ? параметри апроксимації експериментальних даних.

Далі в результаті взаємних підстановок будувалося інтегральне рівняння задачі у вигляді:

. (22)

Для двох серій випробувань (для швидкостей та ) знаходилась система рівнянь у вигляді:

. (23)

З системи (23) визначались шукані параметри зношування:

;; (24)

Аналогічно проведені розв`язки для схем кулька-кільце, конус-кільце. Результати наведені в таблиці 8.

Таблиця 8. Результати розв'язків зносоконтактних задач

Параметр	Кулька-кільце	Конус-кільце

Для базових схем проведені тестові випробування, визначені формули для розрахунку параметрів інтенсивності зношування і встановлені залежності від визначальних факторів зношування: контактного тиску і швидкості ковзання.

Представлений метод оцінки зносостійкості апробований для дослідження зносостійкості підшипникового вузла турбокомпресора ТКР-11Н. У результаті проведених випробувань за схемою кулька-кільце встановлена наступна закономірність зношування: .

Розраховані значення контактного тиску та інтенсивності зношування при зменшенні зазору в два рази: МПа; ; МПа; . Інтенсивність зношування при цьому зменшилась у 2,54 рази.

Запропонована система оцінки зносостійкості змащених вузлів тертя дозволяє не тільки отримувати кількісні показники зносостійкості, але й проводити оптимізаційні розрахунки параметрів трибоспряжень за критерієм зносостійкості.

За допомогою теорії чутливості функцій проведена чисельна оцінка точності визначення параметрів моделей зношування для розглянутих схем випробувань. У результаті дана оцінка впливу точності визначення параметра апроксимації на точність визначення параметра моделі m за залежністю (24). Функція чутливості дорівнювала: . Встановлено, що функція чутливості параметра моделі m за параметром апроксимації має особливість: , а при , . Це означає, що неточність параметра при дає нестійкі результати для m. Графічне представлення функції та функції чутливості дало можливість визначити робочі діапазони точності функції .

У шостому розділі розроблені ефективні способи підвищення масломісткості триботехнічних поверхонь шляхом модифікації поверхонь тертя маслорозподільними канавками з оригінальними конструктивними параметрами.

Для плоских стиків з поверхневими канавками були визначені аналітичні залежності для розрахунку контактного тиску з урахуванням геометричних параметрів для круглого і трикутного профілів відповідно:

; , (25)

де - коефіцієнт виду контакту (пружний, пластичний); - крок канавок; - радіус індентора; - кут конуса індентора; - відстань від поверхні; - номінальний тиск; - зближення в контакті: .

Параметри і функції зближення визначались на основі статистичної обробки експериментальних даних (табл. 9).

Таблиця 9. Параметри с та m та їх коефіцієнти варіації для різних матеріалів

Матеріал	СЧ21	20Х	40Х	12ХН3А
()	1,27 (0,28)	1,09 (0,29)	1,15 (0,18)	1,12 (0,16)
()	0,849 (0,075)	0,644 (0,12)	0,612 (0,065)	0,629 (0,11)

Отримані значення коефіцієнтів варіації параметрів та вказують на можливість їх застосування для оцінки деформаційних властивостей різних матеріалів.

Для циліндричних спряжень типу опор ковзання запропоновані гвинтові маслорозподільні канавки, що забезпечують на відміну від традиційних прямих, поступовий вхід-вихід спряженої деталі в мастильну зону, що забезпечує стабільність режиму мащення та плавність роботи спряження.

По аналогії з гвинтовими зубцями різального інструменту, встановлена умова постійності площі маслоутримувальних гвинтових канавок у зоні контакту вала і втулки у вигляді:

(26)

де - довжина контакту; - кількість канавок; - діаметр сполучення; - кут нахилу гвинтової лінії канавки; - ціле число.

Запропонована технологія та інструмент для обробки гвинтового профілю, наведений приклад розрахунку його параметрів.

Запропонований замкнений профіль мастильних канавок змінної глибини - від максимальної в центрі несучої поверхні до нуля на границі поверхні тертя.

Порівняно з профілем канавок рівної глибини профіль змінної глибини має оптимальну маслонесучу здатність і мінімальні витікання змащувального матеріалу. Отримані аналітичні залежності для розрахунку площі поверхні і об'єму маслоутримувального профілю змінної глибини для жорстких сферичного і конічного інденторів і пружного сферичного індентора. Проведений чисельний розрахунок параметрів змінного профілю за допомогою програми Solid Works і підтверджена збіжність з розрахунками за отриманими формулами. Представлений приклад розрахунку режиму тертя для плоскої напрямної з робочою поверхнею, модифікованою маслорозподільними канавками змінної глибини. Розроблені конструкції інструментів і технологія для обробки канавок змінної глибини для плоских і багатогранних поверхонь.

На базі широкоуніверсального фрезерного верстату проведена обробка плоских зразків з канавками змінної глибини і досліджена їх ефективність за допомогою спеціальної випробувальної установки із зворотно-поступальним рухом досліджуваних зразків.

Отримані результати підтвердили ефективність профілю канавок змінної глибини за критерієм збереження несучої здатності мастильного шару. Встановлено, що протягом всього періоду випробувань значення середньої сили тертя для поверхні з канавками змінної глибини було менше в порівнянні з канавками рівної глибини і поверхнею без канавок.

Основні висновки

1. У результаті проведеного комплексу експериментальних і теоретичних досліджень розв`язана науково-прикладна проблема оцінки зносостійкості змащених вузлів тертя на основі досліджень деформаційних і трибомеханічних властивостей поверхневих мастильних шарів, розвитку теорії методів випробувань, запропонованих моделей зношування і методів розв`язку зносоконтактних задач для змащених трибосистем.

2. Встановлено, що трибоконтактні властивості тонких мастильних шарів вивчені недостатньо. Оцінка існуючих підходів з дослідження працездатності вузлів тертя в умовах граничного мастила вказує на потребу створення нових методів випробувань і розрахунків з метою прогнозування їх зносостійкості.

...