Эволюция трибосистемы и практический анализ ее максимальных состояний

Размещено на http://www.allbest.ru/

56

ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»

ЭВОЛЮЦИЯ ТРИБОСИСТЕМЫ И ПРАКТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЕЕ МАКСИМАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ

Фёдоров С.В.

Аннотация

Предложена структурно-энергетическая интерпретация эволюции состояния поверхностей на различных этапах изнашивания поверхностей. Показаны закономерности адаптивно-диссипативных состояний при различных видах повреждаемости.

Ключевые слова: энергия, эволюция трибосистемы, приспособление, элементарная наноструктура, износ.

Annotation

THE EVOLUTION OF TRIBOSYSTEM AND PRACTICAL ANALYSIS OF ITS MAXIMUM STATES

S.V. Fedorov Kaliningrad State Technical University

Structural and power interpretation of evolution of a condition of surfaces at various stages of wear of surfaces is offered. Regularities of adaptive and dissipative states at different types of damageability are shown.

Keywords: energy, evolution tribosystem device, elementary nanostructure, wear.

Основная часть

Решение уравнений энергетического баланса трения [1], позволило рассмотреть процесс трения как эволюционный феномен. Предложена структурно-энергетическая диаграмма (рис. 1) эволюции трущихся поверхностей [1,2], которая обобщенно отображает адаптивно-диссипативные закономерности изменения состояний и свойств [1,2] системы с трением. В наиболее общем случае характер эволюции трибосистемы симметричный: от исходной упругости начального взаимодействия, до конечной, динамической упругости.

Эволюция контакта трения имеет двухстадийный характер. Первая стадия адаптивная до т.2 - это формирование предельно активированного и минимального по размеру объема трения (элементарной трибосистемы). Вторая стадия - это структурное и диссипативное приспособление этого объема трения (равновесного контакта).

В конечной точке эволюции трибосистемы при ее максимальной совместимости (т.4) имеет место идеальное структурное упорядочение - контакт трения, как аналог равновесной шероховатости, состоит из, примерно, 63 млн. идеальных структурных образований - механических (нано) квантов [1,2].

Рис. 1 Структурно-энергетическая диаграмма трущихся поверхностей [1,2]: 1, 2, 3, 4, 5 - типы фрикционных связей по И.В.Крагельскому; I, II, III, IV, V - виды повреждаемости и нормальный механо-химический износ по Б.И.Костецкому

Механический квант, по определению [1,2], представляет собой минимальное число атомов, способных обеспечить такое их конфигурационное распределение (нано-структуру), которое обладает свойством обратимо воспринимать и рассеивать (возвращать) энергию внешнего механического движения. Он также представляет собой наименьшее структурное образование материального твёрдого тела в условиях пластической деформации и образуется при переходе трибосистемы (контактного объёма) через предельно активированное (критическое) состояние (точка 2) вследствие развития самоорганизационных процессов адаптации трибосистемыв области точек 1-2-3. Осуществляя взаимно упругие ротационно-колебательные и полные развороты друг относительно друга, эти структурные элементы позволяют реализовать состояние упруго-вязкопластичности контакта. Совершается работа сдвига по модели аномально-низкого трения и «безызносности». При этом только один механический квант теряется за акт нагружения элементарной трибосистемы (контакта). Это минимальный износ, который следует рассматривать как универсальный эталон износа при трении.

Идею механического кванта возможно использовать для решения следующих практических задач.

1. Типичным примером демонстрации износа реальных трибосистем по модели механического кванта является работа зубчатых передач (например, редукторов), у которых элементарной частичкой износа (выкрашивания) является износ, равный одному механическому кванту. Зацепление пары зубьев эвольвентного профиля по полю длины активной линии зацепления (рис.2) соответствует теоретическому принципу обкатывания двух цилиндров в условиях Герцевского упруго-пластического контакта. Материалы зубьев работают на пределе порога усталости, что соответствует минимальной потере (выкрашиванию) контактного объёма (элементарной трибосистемы) в виде одного механического кванта [1,3]. При работе зубчатого зацепления, за каждый оборот колеса (шестерни) каждый равновесный объем трения активной поверхности зуба нагружается один раз, с минимальной потерей (износом) в один механический квант. Поскольку в критическом объёме трения содержится 0,63 механических квантов, то число нагружений (оборотов колеса), равное критическому числу циклов нагружения 0,63, приводит к усталостному износу (потере) слоя материала единичной толщины . Толщина слоя равна двойной высоте равновесной шероховатости, моделированной сферой [4] м. Таким образом, если за физический критерий работоспособности зубчатой передачи взять работу тихоходного колеса с единичным износом активной поверхности зубьев , то тогда величины износа колёс (шестерни) быстроходных ступеней будут различаться на величины передаточных отношений зубчатых передач. Естественно, что физический критерий работоспособности тихоходных колёс с единичным износом поверхностей будет строго согласовываться с критерием конструкционной работоспособности быстроходных колёс - величиной предельного износа (зазора) между зубьями в момент их вхождения в зацепление в точке зацепления. Величина этого предельного износа (зазора) определяет работоспособность всей передачи и есть критерий браковки - нарушение конструкционной устойчивости передачи.

поверхность изнашивание повреждаемость квант

Рис. 2 Схема поверхности зуба, моделированная равновесной шероховатостью (движущейся элементарной трибосистемой [1,2])

2. Нано-квантовая модель демпфирования поверхностей с трением. Оценка предельной скорости качения системы колесо-рельс. Предел этой скорости определяется принципом заполнения элементарной номинальной площади трения системы скольжения элементарными трибосистемами, демпфирующими процесс. Расчетная, предельная скорость качения равна 644 м/c.

3. Экспресс-метод оценки предельного (заданного) износа системы колесо-рельс при идеальном, упругом качении колеса по критериям физической и конструкционной работоспособности (пункт 1) для сложной, многопараметрической задачи оптимизации.

4. Нано-квантовой принцип структурного устройства конструкционных материалов позволяет оптимизировать в заданном направлении технологические процессы и свойства при получении изделий высокоэффективными способами холодной обработкой давлением, добиваясь наивысшей пластичности и качества поверхности (прочности изделий).

5. Обоснование модели нано-кван-товых уровней совместимого трения скольжения при конструировании трибосистем действительных машин, адекватных натуральным машинам высокой надежности [1,2].

6. Обоснование принципа образования трибоматериалов для оптимальных трибосистем, способных реализовать заданные нано-квантовые уровни параметров трения.

7. Использование универсальная, размерная эталонность механического кванта позволяет использовать его для оценки степени оптимальности различных видов механической, термической, химико-термической и других обработок конструкционных материалов и сплавов, с точки зрения соответствия их параметрам долговечности и надежности (структурная прочность).

8. Механический квант как наименьшая частица материального твердого тела позволяет анализировать процессы самосборки «снизу» или же образования массивных твердых тел с заранее заданными свойствами.

Список литературы

1. Фёдоров С.В. Основы трибоэргодинамики и физико-химические предпосылки теории совместимости. Калининград: КГТУ, 2003. 415с.

2. Фёдоров С.В. Расчет износа зубчатого зацепления по модели механического (нано) кванта /Трение и смазка в машинах и механизмах. 2010. №5. С. 33-39.

3. Фёдоров С.В. Энергетическая природа упругого качения колеса. Калининград: КГТУ, 2004. 182с.

4. Фёдоров С.В. Расчет истинного объема трения/Трение и смазка в машинах и механизмах. 2010. №12. С. 3-7.

Размещено на Allbest.ru