Дисипативні властивості фрикційного контакту та їхній вплив на фретингостійкість трибосистем

Результати дослідження зміни дисипативних властивостей контакту в умовах фретингу з повним проковзуванням представлено на рис. 4. Спочатку до певного напрацювання циклів фретингування залежності механічних втрат від амплітуди коливань Ао поступово знижуються (рис. 4, криві 1-2), а потім знову стають більш вираженими (рис. 4, криві 3-5). Така зміна характеру амплітудних залежностей супроводжується синхронною зміною квадрата частоти коливань н2 (рис. 4, криві 1'-5') і граничного значення логарифмічного декременту коливань [д], що відповідає критичній амплітуді [Ао] попереднього зміщення, при перевищенні якої починається проковзування.

Вказаним вище закономірностям відповідають зміни поточних значень д при даному значенні А0. Приклади таких залежностей наведені на рис. 5 (криві 1-3).

При випробуванні зразків із підвищеною шорсткістю робочої поверхні (рис. 5, крива 5) порошкоподібні продукти фретинг-корозії зосереджуються в западинах, і контакт здійснюється виступами, що викликає спостережуване зростання втрат. На більш гладких поверхнях контакту на першому етапі припрацювання превалює тертя в прошарку металоокисної суміші; причому з підвищенням класу чистоти і зниженням амплітуди фретингу зростає складова тертя кочення по вільних продуктах зношування.

Отримані амплітудні залежності логарифмічного декременту коливань було представлено на основі теорії Гранато і Люкке, згідно якої амплітудна залежність логарифмічного декременту коливань описується виразом:

, (3)

де е0 - відносна амплітуда деформації; С1 - величина, пропорційна щільності дислокацій; С2 - величина, обернено пропорційна середній довжині дислокаційних сегментів Lс.

Залежність від представляється рівнянням

, (4)

яке зображається в системі координат () прямою, тангенс кута нахилу якої дорівнює , а величина , що відсікається на вісі ординат, є мірою щільності дислокацій.

Кожна крива була апроксимована двома перетинними відрізками прямих (рис. 6), точки перетину яких відповідають критичним амплітудам деформації, що визначають перехід від одного механізму розсіювання механічної енергії до іншого. При малих амплітудах коливань (відрізки розташовані праворуч від точок перетину) амплітудні залежності переважно пов'язані з коливаннями відрізків дислокацій, що відірвалися від домішок і закріплені у вузлах дислокаційної сітки, а при більших амплітудах (відрізки ліворуч від точок перетину), імовірно, починають домінувати процеси відриву дислокацій від вузлів сітки і їх переміщення на далекі відстані. В порівнянні з фреттингом у режимі попереднього зміщення фретинг із проковзуванням зрушує критичну амплітуду в область більш низьких деформацій і зменшує нахил прямих, що може бути пов'язано з менш динамічним розмноженням дислокацій, які, до того ж, зберігають достатню рухомість через невисоку ефективність динамічного деформаційного старіння.

Підвищення нормального навантаження зрушує критичну амплітуду в область більш високих значень і збільшує кут нахилу прямих. Це може вказувати на те, що при досить високих амплітудах деформації е0 з підвищенням нормального тиску в контактну взаємодію при загальному зростанні площі фактичного контакту втягуються нові, більш глибокі, підповерхневі області, які відрізняються за своєю структурою від шарів, що лежать вище. Головна відмінність, очевидно, полягає у більш високому ступені закріпленості дислокацій домішковими атомами, внаслідок чого скорочується середня довжина дислокаційних сегментів Lс, підвищується критична амплітуда їхнього відриву і знижується загальний рівень механічних втрат.

У п'ятій главі викладено результати досліджень фретинг-процесу в умовах мащення.

Досліджувався вплив тиску в контакті та товщини граничного мастильного шару стеаринової кислоти на його фретингостійкість в процесі випробувань на триборелаксаторі з фретинг-приставкою.

Кислота розчинялася у бензолі для отримання ряду титрованих розчинів, які потім наносились на ділянку робочої поверхні зразка, що дозволяло сформувати на його поверхні квазітвердий граничний шар, товщина якого визначалась за формулою:

, (5)

де [с] - титр розчину, моль/л; - об'єм краплі, нанесеної на поверхню зразка, мл; N - число Авогадро; щ - площа, яку займає одна молекула, см2; S - номінальна площа розливу краплі на поверхні зразка, см2.

В результаті побудови залежності логарифмічного декременту та квадрата частоти коливань від кількості циклів фретингування для пар зразків, розділених граничним шаром, виявлено, що для зміни вказаних показників характерна певна стадійність (рис. 7), яка, в принципі, є характерною також для фретинг-процесу без мащення (рис. 5).

На початку випробувань декремент коливань зменшується (стадія I), після чого певний час зберігає майже незмінне значення (стадія II). Стадія III характеризується швидким зростанням декременту коливань і є перехідною від інкубаційного періоду розвитку фретинг-процесу до стадії IV, яка характеризується практично незмінним значенням логарифмічного декременту коливань і може розглядатися як стадія сталої розвиненої фретинг-корозії. Для квадрата частоти коливань відслідковується інша картина: спочатку зростає (жорсткість контакту збільшується), а потім, досягнувши певного максимального значення, спадає, залишаючись потім практично незмінним до кінця випробувань. Аналогічно змінюються граничне значення логарифмічного декременту коливань [д] та момент найбільшої сили тертя спокою .

Встановлено, що у досліджуваному діапазоні товщин граничного шару стеаринової кислоти зі зростанням кількості нанесених мономолекулярних шарів кислоти відбувається суттєве зростання тривалості інкубаційного періоду Nфі фретинг-процесу, а початкова дисипативна здатність контакту зменшується. Зростання ж тиску веде до зменшення тривалості інкубаційного періоду та початкової дисипативної здатності контакту.

Досліджувались температурні залежності логарифмічного декременту коливань в контакті пари зразків зі сталі 45 та тривалості інкубаційного періоду фретингу в умовах граничного мащення вазеліновим маслом, а також температурна залежність логарифмічного декременту коливань (внутрішнє тертя) для сталі 45 (рис. 8). Обидві отримані температурні залежності логарифмічного декременту коливань (рис. 8, а, б) мають в районі температури 70 єС чітко виражений пік внутрішнього тертя, що звичайно спостерігається (при частоті 100 Гц) у твердих розчинах проникнення з ОЦК-решіткою і викликається міграцією домішкових атомів (С + N) у полі змінних напружень (пік Сноєка).

Для інкубаційного періоду Nфі фретингу (рис. 8, в) спостерігається загальна тенденція до зниження із підвищенням температури, що, очевидно, пов'язано з погіршенням протизносних властивостей масла (температурної стійкості). Виявлено, що у районі 70 єС має місце зростання фретингостійкості трибосистеми (інкубаційного періоду фретингу), що пояснено зміною реологічних властивостей металевої підкладки. Зіставлення температурних залежностей логарифмічного декременту коливань і температурної залежності фретингостійкості мастильного шару виявляє щільну кореляцію: спостережуваному при температурі 70 єС релаксаційному піку Сноєка відповідає максимальна фретингостійкість масла.

Показано, що результати, аналогічні описаним вище, витікають із співставлення результатів експериментальних робіт, які стосуються властивостей чавунів при однонаправленому терті в умовах граничного мащення: характер зміни максимального припрацьовочного коефіцієнта зовнішнього тертя подібний до характеру зміни амплітуднозалежного (мікропластичного) внутрішнього тертя, а характер зміни стабілізованого коефіцієнта зовнішнього тертя відповідає характеру зміни амплітуднонезалежного (релаксаційного) внутрішнього тертя.

З позицій реології оцінено зміни температурної стійкості граничних мастильних шарів з добавками поверхнево-активних (ПАР) та хімічно-активних речовин (ХАР). Показано, що аномальне зростання коефіцієнта тертя при випробуваннях сталі в маслі з добавкою ПАР з одного боку і різке його зниження при випробуваннях в маслі з добавкою ХАР з другого, що спостерігаються в діапазоні 200-300 0С, мають одну і ту ж першооснову і пов'язані з реологічними властивостями сталі.

Викладено результати досліджень фретингостійкості та дисипативних властивостей солідолу жирового, солідолу УСсА, мастила Літол-24 та мастила Літол-24 з добавкою дисульфіду молібдену кількості 10 % за об'ємом.

Вплив вказаних пластичних мастильних матеріалів на зміну коефіцієнта тертя в процесі фретингу оцінювався на установці МФК-1 при контактному тискові 10, 15 та 20 МПа. Частота вібрації складала 30 Гц, амплітуда - 75 мкм. В процесі випробувань реєструвалась сила тертя, за величиною якої розраховувався коефіцієнт тертя.

Встановлено (рис. 9), що на характер зміни і величину коефіцієнта тертя істотний вплив має тиск у контакті і вид використовуваного мастильного матеріалу. При невисокому тиску (10 МПа) мастильні плівки всіх випробуваних мастильних матеріалів працюють із однаковою ефективністю. Навантаження сприймається через плівку мастильного матеріалу. Оскільки опір зсуву такої плівки невеликий, то значення коефіцієнта тертя також малі для всіх досліджуваних мастильних матеріалів і залишаються практично незмінними протягом усього періоду випробувань (рис. 9, а; криві 2-5).

При випробуваннях за умов тиску в контакті 15 МПа має місце зростання коефіцієнта тертя до 0,3 для жирового солідолу і мастила Літол-24 (рис. 9, б; криві 2, 3). У той же час мастильні матеріали, що містять дисульфід молібдену (Літол-24 + MoS2) і графіт (солідол УСсА) поводяться значно краще (рис.9, б; криві 4, 5), забезпечуючи практично незмінні значення коефіцієнта тертя протягом усього періоду випробувань.

У процесі випробувань за умов контактного тиску 20 МПа з жировим солідолом коефіцієнт тертя швидко досягає значення 0,7 (рис. 9, в; крива 2), оскільки процеси схоплювання в цьому випадку протікають найбільш інтенсивно. Стабілізований коефіцієнт тертя також має більше значення в порівнянні з випробуваннями при контактних тисках 10 і 15 МПа. Подібна картина спостерігається і при випробуваннях з мастилом Літол-24, але процеси схоплювання в цьому випадку активізуються в меншому ступені.

Дисипативні властивості пластичних мастильних матеріалів оцінювались на триборелаксаторі шляхом побудови амплітудних залежностей логарифмічного декременту коливань для контакту з нанесеним шаром досліджуваного матеріалу. Встановлено, що при розташуванні досліджених пластичних матеріалів в порядку зростання дисипативних властивостей, вони утворюють наступну послідовність: солідол жировий, Літол-24, Літол-24 з добавкою дисульфіду молібдену, солідол УсСА.

Фретинг-випробування з оцінкою тривалості інкубаційного періоду в умовах граничного мащення вказаними пластичними мастильними матеріалами проводились також на триборелаксаторі, оснащеному фретинг-приставкою.

Встановлено (рис. 10), що пластичні мастильні матеріали, які характеризуються більш високими дисипативними властивостями, демонструють в процесі випробувань менші максимальні припрацьовочні і стабілізовані значення коефіцієнта тертя та більшу тривалість інкубаційного періоду (фретингостійкість).

На основі проведених досліджень запропоновано метод порівняльної експрес-оцінки фретингостійкості пластичних мастильних матеріалів. Метод полягає у побудові амплітудних залежностей логарифмічного декременту контактних коливань, збуджуваних у режимі попереднього зміщення в системі зі зразками, на робочі поверхні яких наносяться порівнювані пластичні мастильні матеріали з метою виявлення мастильного матеріалу з кращими дисипативними властивостями.

ВИСНОВКИ

1. Проведено комплексні дослідження зміни дисипативних властивостей фрикційного контакту з урахуванням прояву в умовах динамічного навантаження реологічних властивостей матеріалів пари тертя і мастильного матеріалу, які впливають на формування трибологічних характеристик сполучення.

2. Розроблена методика оцінки механічних втрат у контакті заснована на вимірі характеристик збуджених згасаючих крутильних коливань системи, яка включає в себе досліджуваний плоский кільцевий контакт, що піддається циклічному тангенціальному навантаженню в режимі реверсивного попереднього зміщення. Триборелаксатор конструктивно сполучений із динамометром для виміру моменту найбільшої сили тертя спокою і з приставкою для нанесення пошкоджень на контактуючі поверхні зразків при фретингу з повним проковзуванням.

3. Досліджено амплітудні, навантажувальні і температурні залежності логарифмічного декременту коливань (контактного розсіювання механічної енергії) в умовах попереднього зміщення з урахуванням впливу термообробки сталі, мікрошорсткості і тривалості контактування трибосполучення. Показано, що з підвищенням амплітуди збуджуваних коливань і зростанням шорсткості механічні втрати збільшуються; у той же час зростання нормального тиску, контактної температури і тривалості контактування приводить до зниження втрат. Встановлено взаємозв'язок між граничними значеннями логарифмічного декременту коливань [д] і моментом найбільшої сили тертя спокою.

4. На підставі аналізу еволюції амплітудних залежностей логарифмічного декременту коливань, а також залежності його граничних значень [д] і тангенціальної жорсткості контакту від кількості циклів фретингування встановлено стадійність розвитку пошкоджуваності з характерним початковим (інкубаційним) періодом фретинг-корозії.

5. Дослідження розвитку фретинг-процесу в умовах граничного мащення показало, що граничні шари, які формуються при цьому, сприяють істотному збільшенню тривалості інкубаційного періоду, який залежить від товщини граничного шару і тиску в контакті. Збільшення досліджуваних товщин квазітвердого граничного мастильного шару до 0,1 мкм сприяє підвищенню тангенціальної жорсткості контакту, що проявляється в зменшенні логарифмічного декременту коливань в режимі попереднього зміщення і супроводжується зростанням інкубаційного періоду.

6. Встановлено, що за певних температурних і навантажувально-швидкісних режимів фретингу в умовах граничного тертя релаксаційне внутрішнє тертя матеріалу підкладки може виступати одним із факторів, що контролюють фретингостійкість мастильного шару: зі збільшенням внутрішнього тертя сталі зростає фретингостійкість пари тертя. Виявлено відповідність температури формування максимумів внутрішнього тертя (піка Сноєка) сталі і контактного декременту коливань температурним умовам, при яких реалізується максимальна фретингостійкість мастильного шару.

7. Розвинуто реологічні уявлення про природу зміни температурної стійкості граничних мастильних шарів з добавками поверхнево-активних і хімічно-активних речовин. На основі зіставлення температурних залежностей коефіцієнта зовнішнього тертя і релаксаційного внутрішнього тертя в сталі (пік Кестера) запропоновано механізм прояву критичних температур стійкості мастильних шарів, що враховує динамічні релаксаційні процеси в металевій підкладці.

8. З підвищенням дисипативної здатності пластичних мастильних матеріалів, введених у трибосполучення, тривалість інкубаційного періоду фретинг-процесу збільшується з одночасним зниженням коефіцієнта зовнішнього тертя. Проведено експериментальну оцінку ефективності підвищення фретингостійкості трибовузла технічними пластичними мастильними матеріалами з урахуванням демпфірувальних властивостей, які проявляються ними, стійкості до продавлювання та опору зсуву.

9. На основі встановленого взаємозв'язку між дисипативними властивостями пластичних мастильних матеріалів і їхньою фретингостійкістю запропоновано метод порівняльної експрес-оцінки антифретингової здатності пластичних мастильних матеріалів, що полягає в побудові амплітудних залежностей логарифмічного декременту контактних коливань, збуджуваних у режимі попереднього зміщення в системі, на робочі поверхні якої наносяться порівнювані мастильні матеріали.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Шевеля В. В. Реология контактных явлений при реверсивном предварительном смещении / В. В. Шевеля, В. Орлович, В. А. Кирилков // Проблеми трибології. - 2005. - № 2. - С. 152-158.

2. Шевеля В. В. Изменение диссипативных свойств контакта на ранних стадиях низкоамплитудного фреттинга / В. В. Шевеля, В. А. Кирилков // Проблеми трибології. - 2006. - № 1. - С. 141-147.

3. Шевеля В. В. Диссипативные процессы при вибрации номинально неподвижных соединений / В. В. Шевеля, В. А. Кирилков // Вібрації в техніці та технологіях. - 2006. - №1(43). - С.147-148.

4. Шевеля В. В. Развитие фреттинг-коррозии в условиях граничного трения / В. В. Шевеля, В. А. Кирилков, В. П. Федына // Проблеми трибології. - 2007. - № 2. - С. 102-108.

5. Шевеля В. В. Влияние релаксационного внутреннего трения на динамические параметры трибосистемы / В. В. Шевеля, Г. С. Калда, В. А. Кирилков, В. П. Федына // Наукові нотатки. - 2007. - Вип. 20. - С. 553-557.

6. Шевеля В. В. Диссипативные свойства и фреттингостойкость пластичных смазок / В. В. Шевеля, В. Орлович, В. А. Кирилков, В. П. Федына // Проблеми трибології. - 2007. - № 3. - С. 55-60.

7. Кирилков В. А. Дослідження в'язкопружних властивостей металевого контакту / В. А. Кирилков // Матеріали II Міжнародної конференції «Динаміка наукових досліджень 2003», 20-27 жовт. 2003 р. Т. 35. - Дніпропетровськ : Наука і освіта, 2003. - С. 28-29.

8. Шевеля В. В. Метод исследования начальных этапов фреттинга / В. В.Шевеля, В. А. Кирилков // Матеріали III Міжнародної конференції «Динаміка наукових досліджень 2004», 21-30 черв. 2004 р. Т. 61. - Дніпропетровськ : Наука і освіта, 2004. - С. 33-34.

9. Шевеля В. В. Дослідження фретингостійкості змащувальних плівок жирної кислоти / В. В. Шевеля, В. А. Кирилков // Матеріали VIII Міжнародної конференції «Освіта і наука 2005», 7-21 лют. 2005 р. Т. 58. - Дніпропетровськ : Наука і освіта, 2005. - С. 86-87.

10. Шевеля В. В. Дослідження дисипативних властивостей контакту при фретингу // В. В.Шевеля, В. Орлович, В. А. Кирилков // 7-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові : тези доповідей, 18-20 трав. 2005 р. - Львів : КІНПАТРІ ЛТД, 2005 - С.125.

Анотація

Кирилков В. А. Дисипативні властивості фрикційного контакту та їхній вплив на фретингостійкість трибосистем. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах. - Хмельницький національний університет, Хмельницький, 2008.

У роботі викладено виконані за допомогою маятникового триборелаксатора комплексні дослідження дисипативних властивостей фрикційного контакту, засновані на використанні розробленої методики збудження вільних згасаючих крутильних коливань системи, що включає в себе досліджуваний контакт, який піддається циклічному тангенціальному навантаженню в режимі попереднього зміщення, і вимірі логарифмічного декременту та частоти цих коливань.

Наведено результати вивчення дисипативних властивостей контакту при реверсивному попередньому зміщенні та їхньої зміни на ранніх стадіях низькоамплітудного фретингу. Дано опис встановленої в ході досліджень стадійності фретинг-процесу. Досліджено ефективність підвищення фретингостійкості контакту змащуванням мастильними матеріалами.

Запропоновано метод порівняльної експрес-оцінки антифретингової здатності пластичних мастильних матеріалів.

Ключові слова: фретинг, дисипація енергії, декремент коливань, сила і коефіцієнт тертя, попереднє зміщення, жорсткість контакту, мащення.

Аннотация

Кирилков В. А. Диссипативные свойства фрикционного контакта и их влияние на фреттингостойкость трибосистем. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - Трение и износ в машинах. - Хмельницкий национальный университет, Хмельницкий, 2008.

В работе излагаются выполненные с помощью маятникового триборелаксатора комплексные исследования диссипативных свойств фрикционного контакта, основанные на использовании разработанной методики возбуждения свободных затухающих крутильных колебаний системы, включающей в себя исследуемый кольцевой контакт, который подвергается циклическому тангенциальному нагружению в режиме предварительного смещения, и измерении логарифмического декремента и частоты этих колебаний.

Описаны дополнительные устройства к триборелаксатору, позволяющие использовать его для нанесения фреттинг-повреждений на контактирующие поверхности образцов и для измерений момента наибольшей силы трения покоя.

Изучено влияние амплитуды колебаний, нормальной нагрузки, температуры в зоне контакта, структурного состояния материала образцов, микрошероховатости контактирующих поверхностей и продолжительности контактирования на диссипативные свойства контакта при реверсивном предварительном смещении.

Исследовано изменение диссипативных свойств контакта на ранних стадиях низкоамплитудного фреттинга в двух режимах: при фреттинге в режиме предварительного смещения и при фреттинге с проскальзыванием.

Установлена стадийность развития фреттинг-процесса с характерным инкубационным периодом.

Выполнено представление результатов исследований на основании теории Гранато и Люкке.

Исследовано развитие фреттинг-процесса в условиях граничной смазки. Оценено влияние толщины граничного слоя и нормальной нагрузки. Исследована температурная зависимость фреттингостойкости контакта в условиях граничного трения. Показано, что релаксационные процессы, протекающие в материале образцов, могут оказывать существенное влияние на фреттингостойкость.

Исследована эффективность повышения фреттингостойкости контакта пластичными смазочными материалами.

Предложен метод сравнительной экспресс-оценки антифреттинговой способности пластичных смазочных материалов.

Ключевые слова: фреттинг, диссипация энергии, декремент колебаний, сила и коэффициент трения, предварительное смещение, жесткость контакта, смазка.

Summary

Kyrylkov V. A. Dissipative properties of the friction contact and their influence on the fretting durability of tribosystems. - Typescript. The thesis is presented for the degree of candidate of technical sciences in specialty 05.02.04 - Friction and wear in machinery. - Khmelnitsky National University, Khmelnitsky, 2008.

The dissertation presents complex research of dissipative properties of the friction contact. It takes into account that abovementioned properties are displayed by the friction pair material and lubricating material. The research uses the exciting method of free damping rotating oscillations of the system. This system includes the investigated contact as the element of the system. The logarithmic decrement and the frequency of these oscillations are measured. Dissipative properties of the contact under reversed preliminary displacement are studied. A change of the contact dissipative properties during the early stages of low amplitude fretting is determined. Efficiency of contact fretting resistance increase by means of lubrication is investigated. A method of comparative express evaluation of anti-fretting properties of greases is offered.

Key words: fretting, energy dissipation, decrement of oscillation, frictional force, constant of friction, preliminary displacement, contact stiffness, lubrication.

Страницы: 1, 2