Трение водосодержащих дисперсных смесей по металлической поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Трение водосодержащих дисперсных смесей по металлической поверхности

Специальность: 05.02.04 - Трение и износ в машинах

Барабанщиков Юрий Германович

Санкт-Петербург 2011

Диссертационная работа выполнена на кафедре Машиноведения и деталей машин ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Чулкин Сергей Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Фадин Юрий Александрович;

доктор технических наук Лысенков Павел Михайлович;

доктор технических наук Скотникова Маргарита Александровна.

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Санкт-Петербургский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ»

Защита состоится 27 октября 2011 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.075.01 при Учреждении академии наук, Институте проблем машиноведения РАН по адресу: 199178, Россия, Санкт-Петербург, В.О., Большой пр., 61. Телефон/факс: 321-47-78, 321-47-82

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем машиноведения РАН

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т. н., ст. научный сотрудник В. В. Дубаренко.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Во многих отраслях промышленности (строительной, металлургической, химической, нефтедобывающей, горнодобывающей, горно-обогатительной, сельском хозяйстве) на разных технологических стадиях существует необходимость в перемещении и механической обработке вязко-пластичных сырьевых сред. Для этих целей используется соответствующее оборудование, основные узлы которого, как правило, изготовлены из металлов. Трение таких сред по металлическим поверхностям вызывает значительный износ оборудования, приводит к существенным потерям энергии и, во многих случаях, влияет на качество продукции. Этим прикладным вопросам посвящено довольно значительное число публикаций. В то же время, с чисто научной стороны, трибологические аспекты взаимодействия вязко-пластичной среды с твердой металлической поверхностью практически не изучены. К ним можно отнести проблемы формирования поверхностных слоев контактирующих тел, влияние структуры вязко-пластичного тела на характеристики внешнего трения и износа контртела, соотношение между внешним и внутренним трением, влияние среды, разработку методов и устройств для исследования трения таких трибологических пар, подходы к управлению трением и износом.

В полной мере сказанное относится к водосодержащим дисперсным смесям (ВДС), которые охватывают большой круг практически важных сырьевых материалов для производства изделий из керамики, бетона и т.п. и составляют предмет исследований настоящей работы. Актуальность этой темы обусловлена следующими причинами.

Наличие воды в дисперсной смеси в разной степени связанности и химической активности приводит к сложному поведению системы в условиях трения, в частности, к возникновению процесса электро-химического изнашивания. Твердые частицы ВДС вызывают сильный абразивный износ металлических частей рабочих органов машин и механизмов. Поскольку полностью исключить износ невозможно, возникает задача регулирования процессов трения и изнашивания в приемлемых масштабах. Качество изделий, полученных на основе ВДС, в значительной степени определяется наличием поверхностных и внутренних дефектов, образующихся в заготовках при формовании, вследствие внешнего и внутреннего трения.

Цель работы. Основной целью настоящей работы является исследование закономерностей трения и изнашивания, возникающих при движении водосодержащих дисперсных смесей по металлической поверхности и разработка методов регулирования этих процессов.

Задачи исследований. 1. Разработать способы испытаний вязко-пластичных материалов на трение и изнашивающую способность. 2. Установить основные закономерности процесса трения ВДС по металлической поверхности и сопровождающих этот процесс электрических и тепловых явлений. 3. Разработать метод регулирования трения керамической массы. 4. Установить влияние трибо-реологических свойств керамической массы на изнашивание металлических поверхностей. 5. Разработать критерий оптимального режима трения КМ при формовании, позволяющий уменьшить энергозатраты и снизить дефектообразование в изделиях.

Новые научные результаты: 1. Способы определения трибо-реологических свойств строительных материалов, признанные изобретениями (а. с. №№ 1352320, 1352324, 1397807). Методика определения количественного соотношения между внешним и внутренним трением.

2. Закономерности трения ВДС по металлической поверхности и возникающих при этом электрических явлений. Математическая модель трения керамической массы, учитывающая нелинейность процесса.

3. Закономерности абразивного изнашивания металлической поверхности керамической массой. Математическое выражение для интенсивности изнашивания. Электрохимическое изнашивание металла керамической массой. Способ непрерывного контроля интенсивности изнашивания (а.с. № 1420459).

4. Математическая модель трибо-реологической системы с переменной вязкостью. Критерий оптимального режима трения при формовании изделий.

5. Методика регулирования внешнего трения КМ и снижения ее изнашивающей способности.

Практическая ценность работы. Использование разработанных в диссертации положений позволяет минимизировать энергетические и материальные затраты на производство строительных материалов. Это обусловлено двумя причинами: 1) сокращением потребляемой мощности машин в результате оптимизации режима трения и приведения материала в состояние с наименьшей вязкостью; 2) уменьшением износа рабочих органов машин на основе непрерывного контроля интенсивности изнашивания и снижения изнашивающей способности ВДС автоматическим регулированием влажности пристенного слоя. С этой целью разработаны способы непрерывного контроля интенсивности изнашивания рабочих органов машин (а. с. № 1420459) и непрерывного контроля влажности потока керамической массы (КМ) (а. с. № 1264073). Использование в производстве рекомендуемых значений критерия оптимального режима трения, позволяет снизить дефектообразование в изделиях и повысить их прочность.

Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертации внедрены на следующих предприятиях: ЛПО "ПОБЕДА" (г. Колпино, Лен. области); ООО "КОНТИНЕНТ" (г. Никольское, Тосненского р-на, Лен. Области); ООО "ВЫСОТНИК" (г. Кириши, Лен. области); ООО "ПРАГМАСТРОЙ"; НПО "АЛГОРИТМ"; ОАО «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ»; ООО НПСФ «ОСТ-СЕЙСМ» (Санкт-Петербург); Научно-испытательной лаборатории СПбГПУ, а также в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной научно-технической конференции "Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение" (Ленинград, 1987); Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (Санкт-Петербург, 1996); II международном симпозиуме по транспортной триботехнике "Транстрибо-2002" (Санкт-Петербург, 2002); Международной научно-практической конференции "Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России" (Санкт-Петербург, 2002); VIII Всероссийском совещании "Высокотемпературная химия силикатов и оксидов" (Санкт-Петербург, 2002); Научно-практической конференции "Развитие инфраструктуры объектов туризма и спорта(Санкт-Петербург, 2002); Международном конгрессе "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии" (г. Белгород, 2003); V Международной конференции "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения" (Санкт-Петербург, 2003); VI-XI, XV Всероссийских конференциях "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 2002-2011 гг.); Городском семинаре по механике в Институте проблем машиноведения РАН (Санкт-Петербург, 20 января 2011 г.); Международной научно-практической конференции "Современное машиностроение наука и образование" (Санкт-Петербург, 14-15 июня 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 61 научная работа, в том числе 17 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа, общим объемом 308 страниц, состоит из введения, 6 глав, заключения и 9 приложений, включает 97 рис. и 63 табл. Список литературы содержит 318 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, перечислены новые научные результаты, указана практическая значимость работы.

Первая глава посвящена исследованию достижений науки и техники в области абразивного изнашивания и трения водосодержащих дисперсных систем. Рассмотрены существующие представления о формировании свойств материалов при трении в процессе их переработки. Сформулированы проблемы получения строительных изделий, связанные с трением водосодержащих сырьевых смесей (керамической массы, строительных растворов и бетонов) по металлической поверхности и изнашиванием последней.

Водосодержащие дисперсные системы (ВДС) обусловливают один из наиболее интенсивных видов изнашивания - абразивное изнашивание (М.М.Хрущов, М.А.Бабичев). Характер изнашивания зависит от содержания абразивных частиц, их твердости, геометрии зерен, гранулометрического состав, а также в значительной степени определяется плотностью, прочностью массы, степенью закрепления частиц в ней, поверхностными свойствами дисперсной системы, ее влажностью (М.М.Тененбаум, С.Н.Шамшетов). С повышением влажности изнашивающая способность почв возрастает до некоторого максимума, после чего начинает резко падать вследствие перехода почвы в пластичное состояние (С.П.Васильев, Л.С.Ермолов). Особенно быстро изнашиваются рабочие органы почвообрабатывающих и землеройных машин, а также технологического оборудования промышленности строительных материалов (Б.М. Коган, С.М. Кауфман, Т.А. Занина). Затраты на ремонт шнекового пресса для производства кирпича, вызванные износом, составляют в год 30-35 % от стоимости пресса (В.В.Коротеев).

В литературе отмечается непостоянство коэффициента трения м и противоречивость результатов его определения у различных авторов. Например, Г.С.Гура, Н.П.Блещик и др. указывают на снижение м с ростом влажности, а Е. Динглинжер, А.Ф. Вадюнина и др. - наоборот, на его повышение.

Основные свойства ВДС зависят от соотношения энергий взаимодействия частиц и внешних механических воздействий (Н.Б.Урьев). Такие структуры отличаются резко выраженной зависимостью вязкости от скорости деформации (П.А.Ребиндер). Однако при разработке технологического оборудования эта зависимость не учитывается (А.В.Туренко).

При напряжениях внешнего трения, не превышающих предел текучести, ВДС скользит по подкладке, как единое целое. В противном случае происходит течение в слоях пасты. При этом градиент скорости уменьшается с расстоянием от поверхности скольжения (Д.М.Толстой). При скольжении керамической массы по твердой поверхности проявляется ориентационный эффект в направлении трения (В.С.Фадеева). Это приводит к неравномерной усадке при сушке и обжиге и к образованию трещин по границе слоев (В.И.Морозов, В.В.Козлов, В.Ф.Павлов). По другим сведениям, прочность изделий в результате ориентации частиц возрастает (А.Ф.Быхова, С.П.Ничипоренко, В.В.Хилько).

С.П.Ничипоренко указывает на образование скрытых дефектов - поверхностей с ослабленными связями между частицами при формовании КМ.

При трении изменяются электропотенциалы контактирующих тел (Л. Леб, С.Н. Постников, А.И. Свириденок, О.В.Холодилов и др.). В условиях жидкой электролитической среды трение существенно ускоряет процесс анодного растворения металла в местах фрикционного контакта (Прейс Г.А., Дзюб А.Г., Лазарев Г.Е., Харламова Т.Л., Верейкин В.И. и др.). Возникновение разности потенциалов при трении дисперсных систем наблюдали многие авторы (Ю.Ф. Дейнега, Г.В. Виноградов, В.С. Фадеева, Е.Е. Бибик, О.М. Мазуренко), однако до сих пор нет удовлетворительного объяснения механизма этого явления.

Во второй главе описаны методы экспериментальных исследований керамической массы, цементного раствора и бетона.

Влияние внутреннего трения ВДС на свойства материалов исследовалось с помощью устройства, представленного на рис. 1. Внутреннее трение в ВДС 2 (деформация сдвига) возникало при вращении эксцентрикового колеса с частотой щ от 2 до 24 с-¹ и соответствующего попеременного перекашивания шарнирной формы 3. Относительная деформация сдвига составляла г=0,4. После 100 сдвиговых циклов КМ, не вынимая из рамок, сушили, а бетонную смесь выдерживали сутки во влажной среде. Затем рамки 3 разбирали и образцы испытывали на сжатие нормально к боковой поверхности.

Внешнее трение ВДС исследовалось с помощью устройств, представленных на рис. 2. Детали 1 и 3 выполнены из оргстекла.

Применяли в основном две схемы испытания: кольцо по кольцу (схема I) и плоскость по цилиндру (схема II). Прижимающую силу создавали с помощью сменных грузов.

В схеме I тензометрический силоизмеритель калибровали по крутящему моменту, а в схеме II - по силе трения. В схеме II отработавший поверхностный слой ВДС удаляется с помощью резца 13 и во фрикционный контакт вступает вновь образованная поверхность. Скользящий электрод 4, электрод сравнения 5 (неподвижный относительно ВДС) и вспомогательные электроды 8 изготовлены из одного и того же металла. Резец 13 электрически изолирован от корпуса.

Методика электрических измерений. Измерительная схема подключается к любой паре электродов и используется как при измерении трибо-ЭДС, так и напряжения от внешнего источника, подключаемого к клеммам А и К.

При замкнутых контактах К₁ электромагнитного реле производится измерение напряжения U на нагрузке R₁+R₂+R₃. Калиброванный сигнал для этого снимается с магазина сопротивлений R₃ и подается на вход усилителя постоянного тока У1 типа Ф7024С/4 с входным сопротивлением около 30 МОм. Одновременно по падению напряжения на образцовом резисторе R₁ с помощью усилителя У2 (Ф8024С/1) измеряется сила тока I в цепи. При замыкании контактов К₂ и К₃ и, соответственно, размыкании контактов К₁ цепь ячейки трения закорачивается проводником R_кз=0,04 Ом, вход усилителя У2 подключается параллельно резистору R_кз и производится измерение тока короткого замыкания I_кз. Выходные сигналы усилителей У1 и У2 записывались на диаграммной ленте светолучевого осциллографа Н145. Электрические параметры вычислялись по формулам: ЭДС=U+I·r=U·I_кз/(I_кз-I) и r=ЭДС/I_кз=U/(I_кз-I), где r - внутреннее сопротивление ячейки.

Определение скрытой теплоты. Применялся калориметр типа Кальве. При определении , например, теплоты фазового перехода воды в ВДС обеспечивали постоянство температуры калориметрической среды и и коэффициента теплоотдачи (б=const). Определяли изменение температуры образца t во времени (рис. 3, кривая ab) и рассчитывали термическую инерцию образца е=d/dln(t-и) как функцию температуры. Выделение скрытой теплоты В начинается при температуре t_н (точка с), а заканчивается при температуре t_к (в точке d) он. Теплота dQ_п = бS•(t-и)d, потерянная образцом в процессе теплообмена со средой за время d, складывается из скрытой теплоты dL и теплоты dQ_с, потерянной при понижении температуры тела на dt. dQ_с=бS•(t'-и)d, где t' - ход температуры (кривая ab') при L=0. Тогда, dL=бS•(t-t')d= бS•(е-е')dt. Интеграл от dL в пределах от t_н до t_i пропорционален площади А_i,, а в пределах от t_н до t_к - всей площади А=А_i+А_к, заключенной между кривыми е и е'. Зависимость е' от t определяется путем итерационного согласования величин е' и А_i/А по формуле е'=(1- А_i/А)е_н+(А_i/А)е_к .

В главе 3 приведены результаты исследований процессов трения и изнашивания металлической поверхности под действием ВДС. Установлены два пороговых значения влажности керамической массы W_f?13 % и W_з?20 % (рис. 4). В работе показано, что при влажности W_f и ниже система проявляет свойства твердого тела и скользит по контакту, как единое целое. При влажности W_з и выше система ведет себя подобно жидкости. Она прилипает к поверхности контртела и скольжение по контакту прекращается, заменяясь течением в объеме ВДС. При W<W_f, сила трения падает с увеличением скорости, как это имеет место в случае твердых тел, если же W>W_f, то сопротивление движению возрастает подобно тому, как это происходит в жидкости. Параметры трения и изнашивания, а также электрических явлений изменяются, главным образом, в пределах между пороговыми значениями влажности. В этом же интервале находятся значения формовочной влажности КМ при производстве керамических изделий. Экспериментально установлены зависимости силы трения F или =F/S, изнашивающей способности ВДС J и трибо-ЭДС E от прижимающей силы P (нормального давления p), влажности W, скорости скольжения v, природы контртела, дисперсности и состава ВДС.

Трение ВДС. Установлено, что при влажности КМ W<W_f зависимость удельной силы трения от нормального давления p является линейной и подчиняется закону Кулона. При W>W_f величина d/dp уменьшается при увеличении W. С ростом p удельная сила трения стремится к некоторому постоянному пределу С, а d/dp - к 0. На основе исследований предложено уравнение, описывающее процесс трения ВДС:

d/dp =₀exp(-p), (1)

или в интегральной форме =C-(₀/)exp(-p), (2)

где ₀ - коэффициент трения при р=0. - параметр консистентности, зависящий, главным образом, от влажности ВДС. По физическому смыслу представляет собой площадь истинного контакта, устанавливающуюся под действием р=1. Обратная величина (1/) есть предел текучести пасты. В случае недеформируемых тел =0 и d/dp=₀=const, что после интегрирования дает линейный закон трения Кулона. В случае идеальной жидкости =? и d/dp=0.

Результаты расчетов по уравнению (2) хорошо согласуются с экспериментальными данными (рис. 5). Сравнение полученных значений пределов текучести в покое у_т^s и при скольжении у_т^d с 1/ показывает, что величина 1/ имеет весьма близкие значения с у_т^d. При W>15 % значения 1/ и у_т^d практически совпадают. Отрезок, отсекаемый кривой на отрицательной ветви оси абсцисс, равен давлению адгезии p_a. Влияние влажности КМ на ₀ и адгезию показано на рис. 6. Уравнение (1) отражает то обстоятельство, что трение ВДС включает два одновременно протекающих процесса - скольжение по контакту и течение в объеме.

Изнашивающая способность ВДС. Исследовано влияние на интенсивность изнашивания J=Дm/vt следующих факторов: влажности КМ, нормального давления, износостойкости контртела, содержания и гранулометрического состава абразивной составляющей, формы зерен. Из испытанных песков, применяемых в производстве, наиболее опасным оказался песок средней крупности из отсевов дробления гранита. При замене этого песка на морской песок, имеющий окатанные зерна, интенсивность изнашивания снизилась на 60 %.

Установлен второй порог влажности W_з, при котором внешнее трение полностью замещается внутренним. При этом J=0. При влажности W_f интенсивность изнашивания максимальна. Участок зависимости J=f(W) при W_з>W>W_f может быть с достаточной для практики точностью аппроксимирован линейной функцией, уравнение которой имеет вид:

J=jР(W_з-W), (3)

где j - коэффициент пропорциональности, мг/(мкН%), представляющий собой интенсивность изнашивания при единичной нормальной силе Р, и разности (W_з-W) в 1 %. Значение j зависит от свойств материалов пары трения, а значение W_з - только от свойств ВДС (табл. 1). Глина, согласно табл. 1, получена в результате удаления из КМ фракции песка с размером частиц более 0,1 мм. При этом порог влажности W_з увеличился более чем в 1,5 раза, а коэффициент изнашивания j уменьшился в 50-60 раз.

Таблица 1 Влияние характера материалов на параметры j и W_з

Формула (3) применима при Р<82-4.2W (Р в Н, W в %). В работе показано, что одной из причин отклонения зависимости J=f(N) от линейного закона при высоких Р является «некулоново» трение (по В.А.Буфееву), проявляющееся в значительной степени в случае вязко-пластичных тел. Поэтому при малой нормальной силе площадь фактического контакта устанавливается под действием тангенциальных составляющих тензора напряжений и не реагирует на увеличение Р до определенного критического значения Рк. При Р<Рк увеличение силы Р вызывает пропорциональный рост нормального давления р и соответствующий ему рост интенсивности изнашивания J. Возрастание интенсивности изнашивания J при Р>Рк происходит за счет роста фактической площади контакта, вызванного увеличением Р, согласно уравнению Sф=Р/уm, где уm - предел текучести пасты. Другой причиной нарушения зависимости (3) является уменьшение вязкости пасты с ростом нормальной нагрузки. Указанные обстоятельства подтверждены экспериментальными данными.

Увеличение скорости перемещения массы приводит к росту скорости изнашивания J' (износа в единицу времени), однако интенсивность изнашивания J (износ на единицу пути) остается неизменной и от скорости практически не зависит. При этом J'=kv, где коэффициент пропорциональности k зависит от влажности и может быть приближенно описан линейной функцией k=2,54-0,13W. В результате получается уравнение

J'=0,13v (19,8-W),

где 19,8 - есть Wз в %, а 0,13 - произведение jN в мг/(м%), при делении которого на N=0,02 кН получаем j=6,5 мг/(мкН%). Найденные значения параметров j и Wз хорошо согласуются с результатами опытов.

Глава 4 посвящена изучению электрических и тепловых явлений, сопровождающих процесс трения.

Трибо-ЭДС. Между двумя электродами, один из которых находится в неподвижном контакте с ВДС, а другой скользит по ее поверхности, возникает разность потенциалов под действием которой во внешней цепи протекает электрический ток, пока происходит скольжение (рис. 7-б). При полной физической симметрии трибоячейки потенциалы электродов в состоянии покоя равны ш_а=ш_к=ш₀ (см. рис. 7-а) Потенциал скользящего электрода смещается в отрицательную сторону и приобретает значение ш_f. Потенциал неподвижного электрода ш₀ остается без изменения. Разность потенциалов Е=ш_f-ш₀ является электродвижущей силой (трибо-ЭДС).

При увеличении влажности КМ E сначала возрастает, достигает максимума при W=W_f ?12-13 %, а затем снижается в связи с уменьшением л. В схеме II падение E с ростом W происходит быстрее, чем в схеме I, и при W=W_з?19 % трибо-ЭДС обращается в нуль. Это показывает, что электризация вызвана внешним трением.

В случае цементного раствора (ЦР) зависимость E от водоцементного отношения также проходит через максимум (при В/Ц=0,40). Портландцемент в составе теста показал значения E не ниже, а в отдельных случаях - выше, чем ЦР. Кварцевый песок (фракции 0,05-2,5 мм, влажностью около 10 %) характеризуется низкими значениями E. Таким образом, величина трибо-ЭДС цементного раствора и бетона определяется тонкодисперсной составляющей - портландцементом.

С увеличением нормального давления трибо-ЭДС сначала быстро возрастает, а затем принимает постоянное значение.

Распространенная в литературе гипотеза о пленочном механизме возникновения трибо-ЭДС, не объясняет ряда экспериментальных фактов, например, влияния скорости или возрастания E при уменьшении изнашивающей способности КМ в результате удаления абразивной составляющей (песка).

Трибоионная эмиссия. Установлено, что с увеличением скорости скольжения v внутреннее электрическое сопротивление ВДС (r=E/I_кз) падает. Увеличение электропроводности ВДС с ростом скорости имеет место и при пропускании тока от внешнего источника. Обнаружено, что электропроводность во время трения зависит от направления тока, снижаясь при отрицательном потенциале на скользящем электроде и возрастая при обратной полярности. Эффект асимметричной проводимости исчезает при остановке движения. Это подтверждается также смещением синусоиды переменного тока относительно нулевого значения при пуске и остановке движения. При этом сумма амплитуд полуволн сохраняется неизменной. При изменении полярности приложенного напряжения в 1 В, скачок потенциала на скользящем электроде, в отличие от неподвижного, не изменяет своего знака, то есть действию внешнего электрического поля противостоит противоположно направленное поле в двойном электрическом слое (ДЭС), который поддерживается на скользящем электроде процессом трения. Симметрию проводимости нарушает неизменная полярность ДЭС на фрикционном контакте, т. к. в одном из направлений тока носители заряда перемещаются по полю ДЭС, а в другом - против поля, преодолевая потенциальный барьер.

Процесс возникновения разности электрических потенциалов при трении ВДС можно пояснить следующей схемой (рис. 8). В состоянии покоя трибосистемы катион, находящийся в решетке металла на его поверхности, обладает потенциальной энергией, отвечающей в среднем точке а. Перемещение катиона влево вглубь решетки требует большой работы на преодоление сил отталкивания. Если граничащей с металлом дисперсионной средой является полярная жидкость, например вода, то ион при переходе в водный раствор, как известно, становится гидратированным. При этом высвобождается энергия гидратации и уровень иона понижается до точки b (кривая 1). Для перехода в раствор катион должен преодолеть энергетический барьер Q_а, а для перехода из раствора в металл энергетический барьер Q_к, который больше, чем Q_а. Гидратированный катион удерживается на расстоянии энергетического минимума _о.

Разность электростатических потенциалов между металлом и раствором V пропорциональна суммарному заряду катионов, перешедших в раствор: V=(_о/е_а)у, где у - поверхностная плотность заряда; е_а=е₀е - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды. Работа, требуемая для переноса заряда dу, в расчете на единицу площади, равна dA=Vdу=(_о/е_а)уdу, что после интегрирования от 0 до у дает A=(_о/2е_а)у². В результате имеем V²= (2_о/е_а)А.

Работа А равна выигрышу в энергии Q_к-Q_а от перехода катионов металла в раствор. При этом разность электростатических потенциалов между металлом и раствором составит V_эх=[(2_о/е_а)(Q_к-Q_а)]^1/2. По мере перехода катионов в раствор V_эх растет, затрудняя процесс растворения и облегчая обратный процесс (катодный). В результате понижается уровень потенциальной энергии иона на поверхности металла (точка а перемещается вниз до точки c) и повышается уровень потенциальной энергии иона в растворе (точка b перемещается вверх до точки d). Через короткое время эти уровни становятся одинаковыми и устанавливается динамическое равновесие, при котором Q_а=Q_к=Q_о и скорости анодного и катодного процессов равны (кривая 2).

Включение процесса трения нарушает установившееся равновесие вследствие сообщения катиону кинетической энергии. При этом уровень катиона в металле повышается (точка с поднимается вверх до точки е). С этого момента начинается дополнительный переход катионов из металла в раствор (из точки е в точку d), который в итоге дает выигрыш в энергии Q_f (кривая 3). При разомкнутой внешней цепи процесс перехода будет продолжаться до достижения нового равновесия (кривая 4). Разность потенциалов между металлом и ВДС в результате трения увеличится на величину V_f =[(2_о/е_а)Q_f]^1/2, которая равна трибо-ЭДС (E=V_f ). Поскольку трибо-ЭДС возрастает со скоростью скольжения, а также усиливается выпрямляющий эффект, то из уравнения (4.1) следует, что глубина потенциальной ямы, вызываемой трением, является функцией скорости: Q_f =Q_f (v). Следовательно,

E=[(2_о/е_а)Q_f (v)]^1/2. (4)

Отношение _о/е_а есть величина, обратная электрической емкости С на единицу площади ДЭС. Методом перезарядки ДЭС во время трения КМ по схеме I при W=12,6 %, n=1 с-¹ и N=166 Н получено среднее значение С для электрода из стали 12Х18Н10Т, равное 25,4 мкФ/см². При E =325 мВ это дает работу, затраченную на перенос заряда Q_f (v), около 1,3•10-⁶ Дж/см².

Если внешняя цепь замкнута по ней протекает электрический ток за счет перемещения электронов от скользящего электрода к неподвижному. Внутри ВДС устанавливается поток катионов встречного направления (см. рис 7-б). Катионы покидают металл скользящего электрода (трибоионная эмиссия) и откладываются на неподвижном электроде (избирательный перенос). Таким образом, происходит растворение металла при трении (электрохимическое изнашивание), что отмечалось в литературе.

Тепловой эффект при трении. Экспериментально установлено, что в течение первых 2-6 с трения теплоты Q выделяется больше, чем затрачивается работы А. Разность U=Q-A, соответствующая понижению внутренней энергии системы, составляет в опытах с КМ значение порядка 1,6 Дж/см². Наличие теплового эффекта, не связанного с диссипацией работы, указывает на переход системы в термодинамически более устойчивое состояние. Изменения силы трения в латентном периоде совпадают с характером таковых при самоорганизации структуры, известной из работ по трению, что позволяет считать структурообразование в пристенном слое ВДС обусловленным не только ориентацией частиц, но и структурированием жидкой фазы в пристенном слое толщиной (по нашим данным для КМ) около 300 мкм.

Глава 5 посвящена разработке способа регулирования внешнего трения ВДС и оптимизации режима формования изделий.

Регулирование трения ВДС. Внешнее электрическое поле вызывает перемещение влаги в ВДС (электроосмос), что изменяет силу трения. Установлено, что при отрицательном потенциале на контртеле сила трения возрастает, если W<W_f и убывает, если W>W_f. При положительном потенциале - наоборот. Cила трения может быть снижена в несколько раз (рис. 9).

Путем расчетов по величине электрокинетического потенциала ж установлено, что под действием электрического поля происходит смещение объема воды, как единого тела, в сторону катода. При этом между анодом и водным телом образуется обедненная влагой зона, шириной x, а вблизи катода - зона шириной д, обогащенная влагой. За 0,6 с от начала опыта д составила от 120 до 320 мкм в зависимости от напряженности электрического поля H составляющей 3-15 В/см. В средней части образца, длиной L-(д+x), влажность остается неизменной и равной исходному значению W₀. Таким образом, электрическое поле, изменяя внешнее трение не влияет на внутреннее трение ВДС.

Указанное распределение влаги подтверждено непосредственным измерением влажности, а также вольтамперными характеристиками различных участков образца, включая граничные слои x и д.

Смещению влаги под действием силы электрического поля qH (где q - объемная плотность положительно заряженных противоионов диффузной части ДЭС) противодействуют: результирующая электростатическая сила, вызванная разделением зарядов на границах ВДС с электродами - F_q=dE/dx (E - энергия взаимодействия зарядов), и сила, равная градиенту потенциала влаги d_t/dx, возникающему между средней частью и слоями x и д, примыкающими к электродам. Для состояния равновесия можно записать:

qH-d_t/dx-F_q=0.

В работе показано, что в случае полного водонасыщения слоя , можно принять d_t/dx?_А/, где _А/ - градиент потенциала влаги у анода. Поскольку полное равновесие наступает при i=0, связь между напряженностью электрического поля и толщиной антифрикционного слоя можно представить уравнением

H=_А/(1-д/2LW₀)q, (5)

Уравнение (5) показывает, что необходимая напряженность электрического поля должна быть тем больше, чем выше потенциал влаги, меньше объемная плотность зарядов диффузного слоя и влажность ВДС.

Система регулирования трения апробирована в ленточном прессе СМК-21 кирпичного производства ООО "Высотник". Отрицательный потенциал подавался через корпус на мундштук, головку и шнековый винт, положительный - на футеровочную рубашку цилиндра пресса. При этом рубашка была электроизолирована от корпуса с помощью прокладок из промасленной крафт-бумаги. Регулируемое электрическое поле создавалось с помощью источника постоянного тока ИПТ-12М. При работе пресса контролировали потребляемую мощность, измеряя индукционным способом силу потребляемого тока. Оптимальное значение подаваемого напряжения, соответствующее минимальной потребляемой мощности, составило 160-180 В. В результате увеличения влажности поверхностного слоя изделий было сокращено количество поверхностных дефектов, улучшен внешний вид кирпича и повышена его марка со 100 до 125. Количество брака сокращено на 45 %. пластичный трение изнашивание

Оптимальный режим внутреннего трения ВДС. Критерий оптимального режима внутреннего трения ВДС получен на основе предложенной механической модели трибо-реологической системы с переменной вязкостью (рис. 10). Модель включает n элементов Шведова-Бингама (В) с вязкостью з'_i и пределом текучести _i; элемент Гука G и элемент трения Fr. Если ₀=0 (в случае жидкости), первый элемент Бингама (В₀) с элементом Гука образуют тело Максвелла. Каждый элемент В_i, описываемый уравнением =_i+з'_i(dг_i /dt), начинает работать при достижении своего предела текучести _i. При этом подвижность модели (величина обратная вязкости) возрастает с подключением каждого нового элемента В_i на величину '_i=1/з'_i, т. е. _i=_i-₁+'_i. Общая подвижность цепочки из n элементов В_i равна . Для каждого элемента можно записать dг₀/dt='₀(ф-ф₀); dг₁/dt='₁(ф-ф₁); … dг_n/dt='_n(ф-ф_n), где '₀=₀; '₁=₁-₀; '₂=₂-₁) и т.д. Легко показать, что . Тогда, при n>? и (ф_i+1-ф_i)>0 получаем . В условиях стационарного течения (когда d/dt=0) при оптимальной скорости деформации имеем . Экспериментально установлено, что при dг/dt>(dг/dt)_опт имеет место снижение прочности образцов. В этом случае скорость деформации превышает скорость релаксации напряжения, т. е. , что приводит к возникновению дефектов структуры. Мощность, которая необходима, чтобы поддерживать деформацию пасты с данной скоростью, составляет . Величина N равна площади под кривой dг/dt=f(ф) на соответствующем интервале напряжений (рис. 11). Аналогичный интеграл от правой части вышеприведенного неравенства представляет собой мощность, затраченную против сил внутреннего трения:

. (6)

Из (6) следует, что подвижность пасты равна ц(ф)=d²N_з/dф². Величину N_з, равную скорости диссипации механической энергии, можно определять как скорость производства энтропии по результатам измерения тепловыделения. Поскольку верхним пределом интегрирования в (6) является напряжение ф_k, соответствующее оптимальной скорости внутреннего трения, то N_з характеризует предельную диссипирующую способность пасты. Условие оптимального режима внутреннего трения запишется в виде N=N_з, то есть полезная мощность обрабатывающей машины должна быть равна предельной способности пасты к диссипации.

Внешнее трение является вторым каналом диссипации энергии. При наличии проскальзывания общая мощность диссипации равна N_дис=N_з+dА_f /dt, где - количество работы, затраченной на внешнее трение; S - площадь поверхности трения; L - путь трения; V - объем переработанной пасты. Условие оптимального режима трения принимает вид N=N_з/(1-л).

При N>(1-л)N_дис подводимая энергия не успевает диссипироваться полностью и избыточная ее часть переходит в свободную поверхностную энергию Гиббса в результате разрывов сплошности. При N<(1-л)N_дис падает производительность машины и возрастают энергозатраты, т. к. внутреннее трение увеличивается с понижением скорости перемещения.

Приведенные теоретические положения подтверждены в результате экспериментальной проверки влияния трения ВДС на прочность и структурные характеристики материалов.

В главе 6 приведены данные о внедрения результатов исследований. Основные положения и разработки диссертации внедрены на следующих предприятиях:

- ЛПО "Победа" (г. Колпино, Лен. области) - «Способ контроля влажности сырьевой керамической массы». А. с. СССР № 1264073, кл. G 01 N 33/38, 16.01.85; «Устройство для определения коэффициента трения движущейся пасты». А. с. СССР № 1352324, кл. G 01 N 3/56, 16.01.85. Годовой экономический эффект 372 тыс. руб. в ценах 1989 г.

- ООО "Континент" (г. Никольское, Тосненского р-на, Лен. области) - «Способ контроля износа металлических поверхностей при контакте с влажной дисперсной системой». Авторское свидетельство СССР № 1420459, кл. G 01 N 3/56, 27.02.87. Годовой экономический эффект 78 тыс. руб. в ценах 1997 г.

- ООО "Прагмастрой" - учет трибореологических свойств при подборе состава бетона. Экономический эффект при бетонировании ростверка 115 тыс. руб. в ценах 2003 г.

- НПО "Алгоритм" (Санкт-Петербург) - рекомендации по оптимизации режима трения включены в проект гидроизоляционной защиты подводного трубопровода.

- ООО "Высотник" (г. Кириши, Лен. области) - Система регулирования трения керамической массы по металлическим поверхностям рабочих органов ленточного пресса. Годовой экономический эффект - 3,5 млн. руб. (2003 г).

- ОАО «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ» (Санкт-Петербург) - результаты использованы при разработке проектной документации по внутренней защитной оболочке здания реактора Ленинградской АЭС-2.

- НПСФ «ОСТ-СЕЙСМ» (Санкт-Петербург) - результаты включены в проекты производства бетонных работ по возведению здания турбины и здания реактора с эстакадой транспортного шлюза.

- Научно-испытательной лаборатории СПбГПУ - «Способ определения коэффициента трения пасты». А. с. СССР № 1352324, кл. G 01 N 19/02, 16.01.85; «Устройство для испытания материалов на трение». А. с. СССР № 1352320, кл. G 01 N 3/56, 08.10.85; «Способ определения криотермических характеристик бетона». А. с. СССР № 1236370, кл. G 01 N 33/38, 21.06.84; «Способ определения температуры замерзания воды в материале». Авторское свидетельство СССР № 1105816, кл. G 01 N 33/38, 27.04.83.

- ГОУ СПбГПУ - результаты использованы в учебном процессе.

В результате внедрения получена экономия материальных и энергетических затрат, снижение износа оборудования и брака изделий. Внедрение результатов работы на указанных предприятиях подтверждено соответствующими документами, приведенными в приложении к диссертации.

Заключение

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработаны новые способы и испытательные устройства, признанные изобретениями (а. с. №№ 1352320, 1352324, 1397807, 1236370, 1105816).

2. Установлены основные закономерности трения ВДС по металлической поверхности. Предложено математическое выражение, учитывающее нелинейный характер трения ВДС. Получено экспериментальное подтверждение.

3. Разработана методика экспериментального определения количественного соотношения между внешним и внутренним трением.

4. Исследованы основные закономерности электрических явлений при трении ВДС. Предложена математическая модель, объясняющая механизм возникновения электродвижущей силы при трении ВДС. Показано, что электрические явления лежат в основе электро-химического изнашивания более твердого тела более мягким.