Дисипативні властивості фрикційного контакту та їхній вплив на фретингостійкість трибосистем

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Дисипативні властивості фрикційного контакту та їхній вплив на фретингостійкість трибосистем

Дисипативні властивості фрикційного контакту та їхній вплив на фретингостійкість трибосистем

Міністерство освіти і науки України

Хмельницький національний університет

Кирилков Володимир Андрійович

УДК 621.891

дисипативнІ властивості фрикційного контакту

та Їхній вплив на фретингостійкість трибосистем

Спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хмельницький - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Хмельницькому національному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Шевеля Валерій Васильович

Хмельницький національний університет,

професор кафедри фізики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кузьменко Анатолій Григорович

Хмельницький національний університет,

завідувач кафедри зносостійкості і надійності машин

кандидат технічних наук, ст. наук. співробітник

Краля Віталій Олексійович

Національний авіаційний університет (м. Київ),

доцент кафедри технологій відновлення авіаційної техніки

Захист відбудеться «13» червня 2008 р. о 10:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 70.052.02 у Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1.

Автореферат розісланий « 7 » травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Калда Г. С.

де A02, н -початкова величина амплітуди попереднього зміщення, що визначається за показниками датчика переміщень триборелаксатора, та частота коливань маятника триборелаксатора відповідно при випробовуваннях пари зразків; н0 - частота коливань маятника при випробовуванні спеціального монолітного зразка (рис. 1, б), форма і розміри якого повторюють зовнішню конфігурацію сполученої пари зразків.

Фретинг-дослідження також здійснювались на установці МФК-1, в якій передбачено контроль основних параметрів, які визначають умови та інтенсивність поверхневого руйнування (сила тертя, питоме навантаження, частота та амплітуда коливань, число циклів навантаження). Досліджувані зразки були виконані у вигляді втулки та суцільного циліндра. Контакт здійснювався по торцях при крутильному коливальному русі втулки відносно нерухомого циліндра.

Третя глава присвячена дослідженням дисипативних властивостей контакту при реверсивному попередньому зміщенні. Досліджувався вплив таких факторів, як початкова амплітуда коливань, нормальний тиск, температура у зоні контакту, структурний стан матеріалу зразків, мікрошорсткість контактуючих поверхонь та тривалість часу контактування.

Встановлено, що при всіх досліджених навантаженнях із збільшенням амплітуди аж до граничного значення [A0], при якому зсувна сила стає рівною найбільшій силі тертя спокою, енергія, що розсіюється, зростає. Підвищення нормального тиску викликає збільшення граничного значення амплітуди [A0].

Для амплітуд, що не перевищують граничних значень, із збільшенням нормального навантаження логарифмічний декремент коливань зменшується (рис. 2, криві 1-5). Це свідчить про зниження дисипативних властивостей контакту внаслідок збільшення його тангенціальної жорстокості в результаті зростання зближення нерівностей та розвитку адгезії. Про підвищення тангенціальної жорстокості контакту із збільшенням нормального навантаження свідчить відповідне зростання квадрата частоти коливань (рис. 2, крива 7). Одночасно виявляється зростання граничних значень логарифмічного декременту коливань (граничної демпфірувальної здатності) [д] (рис. 2, крива 6), із перевищенням яких починається проковзування, та моменту найбільшої сили тертя (рис. 2, крива 8). Із зростанням тиску також змінюється вид деформації: від пружної до пружно-пластичної. На рис. 2 відповідні області умовно поділені штрих-пунктирною лінією (область А відповідає пружному контакту, область В - пружно-пластичному, область С - умовам проковзування).

Встановлено, що з підвищенням температури відбувається зниження демпфірувальних властивостей контакту. Очевидно, що з огляду на те, що досліджувана сталь є феромагнетиком, варто враховувати температурну залежність декременту, обумовлену магнітомеханічним гістерезисом (магнітопружним згасанням). Відомо, що цей вид втрат, який дає значний внесок у загальний рівень згасання, істотно знижується з підвищенням температури. Крім того, можливий прояв деформаційного старіння, який сприяє зростанню пружності матеріалу. Варто також враховувати, що при термічному розширенні зразків, які формують сполучення, додатково підвищується контактний тиск. Це повинно сприяти зниженню декременту коливань за двома причинами: внаслідок зростання жорсткості контакту, а також через зменшення внеску магнітопружного згасання, що має місце при збільшенні статичних стискаючих напружень.

Встановлено, що зі збільшенням часу контактування спостерігається зменшення логарифмічного декременту коливань. Порівняно крута часова залежність декременту коливань в контакті сталі 45, яка пройшла загартування та відпуск при температурі 200 0С, може бути пояснена високою мікроповзучістю структури, сформованої в процесі термообробки. Відпущена при температурі 400 0С сталь має сильно подрібнену структуру, яка являє собою феритно-цементитну суміш із мілкими цементитними частками, і високу щільність закріплених карбідами дислокацій та характеризується повним розпадом залишкового аустеніту і виходом твердого розчину з перенасиченого стану. Така стабілізація структури сталі веде до різкого зростання її опору мікродеформаціям і зумовлює пологу часову залежність логарифмічного декременту коливань. В результаті високого відпуску відбувається коагуляція цементитних часток, що створює умови, які сприяють підсиленню мікроповзучості і, як наслідок, інтенсивному зниженню логарифмічного декременту коливань високовідпущених зразків.

Показано, що дисипативні властивості контакту залежать від структурного стану сталі, який визначається термічною обробкою (рис. 3). При малих амплітудах найбільше значення логарифмічного декременту коливань мають загартовані зразки, а при великих - високовідпущені.

У вуглецевих та низьколегованих сталях амплітуднозалежне внутрішнє тертя визначається двома основними механізмами: магнітомеханічним та структурно-дислокаційним. У загартованої і низьковідпущеної сталі переважають відносно невисокі структурно-дислокаційні втрати, а магнітопружне згасання майже повністю відсутнє; тому декремент мало залежить від амплітуди. З підвищенням температури відпуску твердість сталі зменшується, що повинно полегшити зминання плям контакту та викликати зниження демпфірувальної здатності контакту. Але з підвищенням температури відпуску і збільшенням амплітуди коливань набагато зростає внесок у загальний рівень втрат магнітопружного згасання, що і обумовлює сильне згасання у контакті.

Встановлено, що зі збільшенням шорсткості, яка відповідає реальним поверхням тертя, амплітудна залежність логарифмічного декременту коливань зростає так, що різниця в здатності до дисипації енергії стає більш вираженою при підвищених амплітудах коливань. В діапазоні досліджених значень параметра шорсткості Rz з його зростанням відбувається більш глибоке взаємне проникнення виступів контактуючих поверхонь і збільшення деформації локальних об'ємів. У цьому випадку адгезійна складова втрат невелика, а результуючі механічні втрати в основному визначаються гістерезисним (дислокаційним, магнітопружним) і мікропластичним внутрішнім тертям.

У четвертій главі описано дослідження зміни дисипативних властивостей контакту на ранніх стадіях низькоамплітудного фретингу.

Зміна дисипативних властивостей фрикційного контакту контролювалася в процесі двох режимів фретингування. Перший режим відповідав низькоамплітудним вібраціям у номінально нерухомому контакті (режим попереднього зміщення), другий - умовам, при яких відбувалося відносне проковзування зразків з амплітудою 20 мкм. В обох випадках після напрацювання заданої кількості циклів фретингування установка без порушення цілісності сполучення переводилася в режим вимірювання логарифмічного декременту коливань.

Контактне демпфірування в режимі попереднього зміщення визначається переважно двома процесами: знакозмінною пружно-пластичною деформацією (непружністю) найбільш навантажених ділянок різнорівневого дискретного контакту і субмікропроковзуванням на менш стиснутих мікровиступах. Зниження втрат спостерігається вже на початковій стадії фретингу і, очевидно, обумовлено трьома основними причинами: а) збільшенням пружної і зменшенням в'язкої складової деформації плям фактичного контакту при зростанні зближення нерівностей; б) частковим руйнуванням природної окисної плівки та зростанням адгезії ювенільних ділянок; в) зниженням рухливості магнітних доменів.

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.