автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Силовые и энергетические закономерности в контактируемых материалах в условиях малоамплитудного фреттинга

На правах рукописи

СЕРГУТИНА ТАТЬЯНА ЭДУАРДОВНА

СИЛОВЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В КОНТАКТИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛАХ В УСЛОВИЯХ МАЛОАМПЛИТУДНОГО ФРЕТТИНГ - ПРОЦЕССА

Специальность 05.02.01 «Материаловедение (машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск 2003

Работа выполнена на кафедре технологии конструкционных материалов и ремонта машин Брянской государственной инженерно-технологической

академии

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Украины, почетный работник высшего образования России, доктор технических наук, профессор, КОВАЛЕВСКИЙ В.В.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки России,

доктор технических наук, профессор ПАНФИЛОВ Е.А.,

кандидат технических наук, доцент ТАРАСОВА Т.В.

Ведущая организация : ОАО «НИИПИ Нефтегазстроймаш»

часов на

Защита состоится « » 2003 г.' в

заседании диссертационного совета Д212.019.02 при Брянской государственной инженерно - технологической академии по адресу: г.Брянск, пр. Станке Димитрова, 3, БГИТА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГИТА.

Автореферат разослан <<^5> 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Симонов С.А.

2.О05-&

27

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Улучшение эксплуатационных свойств трибоматериалов за счет повышения надежности, долговечности и экономичности на сегодняшний день является одной из актуальных и значимых задач машино- и приборостроения. Потери средств от трения и износа в развитых государствах достигают 4...5 % национального дохода, а преодоление сопротивления трению поглощает во всем мире 20...25 % вырабатываемой за год энергии.

Изнашивание приводит к нарушению герметичности узлов, теряется точность взаимного расположения деталей и перемещений. Возникают заклинивания, удары, вибрации, приводящие к поломкам. Из-за износа, плохой регулировки и неправильно подобранных материалов теряется около 15% мощности двигателя. Изношенные ДВС выбрасывают в атмосферу большое количество СО, соединений свинца и других вредных веществ. В связи с этим обострена экологическая проблема применения ДВС. Простои автомобилей из-за технических неисправностей в среднем автохозяйстве достигают 30-40% календарного времени.

В технике трение является инициатором деформационных, динамических, тепловых, акустических, электрических, адгезионных и других процессов, определяющих ресурс узлов трения машин, их энергетику и эффективность.

Первичной проблемой при изучении трения является контактирование соприкасающихся поверхностей. Трибологами была разработана модель дискретного контактирования твердых тел при трении и гипотеза о двойственной природе фрикционного взаимодействия. Впервые она была сформулирована В.Д.Кузнецовым, Ф.П.Боуденом, Д.Тейбором, И.В.Крагельским и развита Н.Б.Демкиным, Н.М.Михиным, Н.М.Добычиным, В.С.Комбаловым, Е.Ф.Не! эм этой

I

у

работы явилось описание процессов трения и изнашивания твердых тел с учетом физических и химических явлений.

Особую категорию в трении представляет малоамплитудный фретгинг - процесс. В этом случае фрикционные процессы сочетаются с ярко проявляющимися явлениями поверхностной и объемной усталости, коррозии. В силу многообразия факторов, определяющих природу фреттинг-процесса, до настоящего времени не сформировалось единого мнения о механизмах его проявления. Это приводит к значительным трудностям в решении прикладных задач трибоматериаловедения. Развитие теоретических основ малоамплитудного фреттинга, базирующееся на фундаментальных физико-механических и энергетических представлениях позволит выйти на новый уровень в проектировании и технологической разработке материалов для повышения эксплуатационных свойств пар трения.

Цель исследования

Целью диссертационной работы является развитие силовой модели и обоснование синергетической модели механизма фреттинг - процесса в материалах с целью их дальнейшего проектирования и технологической оптимизации свойств.

Задачи работы

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Проведение анализа современного состояния вопроса по механизмам и моделям фреттинг-процесса.

2. Исследование и разработка силовой модели малоамплитудного фреттинга на основе вибромеханики контакта.

3. Развитие энергетических аспектов процесса трения в условиях фреттинга с использованием синергетического подхода.

4. Экспериментальная оценка адекватности расчетных моделей реальным параметрам трения при фреттинг - процессе.

I ;.,мг«.>.'1и»»«Э |

* о I

Методы и средства исследования '

Теоретические исследования выполнены с использованием основных Положений системного анализа и математического моделирования, а также соответствующих разделов теории дифференциального исчисления. При выполнении работы использовались: метод аналитического математического моделирования, численные методы, методы математической статистики, аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решения. В процессе исследования были проанализированы: техническая документация, справочная литература, публикации по теме исследования. Сопоставление адекватности исследуемых моделей с

экспериментальными данными проводилось с использованием компьютерной программы Mathcad 6.0. и Excel 7.0 с обработкой полученных данных на IBM PC совместимых компьютерах.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

- получена аналитическая зависимость, позволяющая связать коэффициент трения при малоамплитудном фреттинг - процессе с базовыми физико - механическими характеристиками материалов пар трения;

- получено уравнение для описания процесса нагружения при фретгинге, установлен вид скелетной кривой;

определен физический смысл параметра пластичности, характеризующего способность контакта к деформационному упрочнению;

- установлена взаимосвязь между микроскопическим запасом силы трения и параметром пластичности. Получено уравнение нагружения контакта, содержащее один параметр кривой нагружения - параметр пластичности;

- получена зависимость для определения плотности предельной энергии деформации поверхностного слоя с учетом числа циклов

нагружения в условиях малоамплитудного фреттинг-процесса.

Основные положения, выносимые на защиту :

- методы математического описания трения в условиях малоамплитудного фреттинг - процесса;

- физическое толкование базового показателя - параметра пластичности, позволяющего связать прочностные свойства материала с трением в условиях фреттинга; , -»

- энергетическую модель мало- и микроамплитудного фреттинг - 1 процесса. 4

Практическую ценность составляют:

- полученные силовая и энергетическая модели трения в условиях малоамплитудного фреттинг - процесса;

- возможность прогнозирования и проектирования поведения и свойств материалов пар трения, эксплуатирующихся в условиях фреттинга;

- возможность создания информационных баз знаний на основе теоретических расчетов с целью проектирования новых материалов с заданными свойствами (фреттингостойкость).

Реализация и внедрение результатов исследования:

- методики расчетов переданы для реализации и опытного внедрения в практику работы конструкт&рско - технологических служб ОАО «Кремний» и НИИ «Изотерм»;

- используются в учебном процессе БГУ, БГИТА при чтении курсов «Физические основы прочности» и «Избранные разделы теории трения твердых тел».

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

1) на секциях конференций:

Международной конференции «Конструкционные и функциональные материалы КФМ - 97», Львов, октябрь 1997;

Всероссийской научно - технической конференции «Машиностроительные технологии», Москва, МГТУ им. Баумана, 1998;

VI Международной конференции «Лазерные технологии. Фундаментальные проблемы и приложения», Шатура - 1998;

- Внутривузовской конференции «Вклад ученых специалистов в национальную экономику», Брянск, 1998;

- Региональных научно - технических конференциях «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику», г.Брянск, 16-18 мая 2001 г.; 16 - 18 мая 2002 г.; 22 - 23 мая 2003 г.

2) на тематических межкафедральных семинарах преподавателей и

аспирантов БГИТА и БГУ. Публикации

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,

4 глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, списка используемых литературных источников, включающего 123 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, 47 рисунков,

5 таблиц. Общий объем диссертации составляет 160 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и основные задачи диссертационной работы.

В первой главе представлен обзор отечественной и зарубежной литературы по исследованию природы фретгинг- процесса. Рассмотрены механизмы фреттинга с точки зрения молекулярной, адгезионной и энергетической теорий. При этом установлено, что основное внимание авторами уделяется химико-механическому изнашиванию в контексте структурных изменений в материалах контактирующих поверхностей. В значительно меньшей степени явления,' сопровождающие фреттинг-процессы, анализируются с точки зрения силового взаимодействия

материалов контакта системы трения, как открытой самоорганизующейся системы.

Во второй гларе исследованы физические и математические модели фреттинг-процесса:, обобщенная механистическая модель Б.Дерягина, И.Крагельского, Н.Михина; адгезионная модель малоамплитудного фреттинг-процесса В.Ковалевского; силовая модель трения в условиях фретгинг-процесса С.Костогрыза - В.Ковалевского. В ходе исследования получила свое дальнейшее развитие адгезионная модель.

Путем математической аппроксимации экспериментальных данных установлена эмпирическая связь коэффициента трения с физико-механическими свойствами контактируемых материалов при

малоцикловом нагружении:

где ¡л - коэффициент трения; Ы-число циклов нагружения; ст./ - предел выносливости; <тг - предел текучести; • аь- предел прочности.

Согласно полученной зависимости, коэффициент трения при постоянном номинальном давлении в контакте определяется свойствами контактируемых матёриалов и числом циклов нагружения.

Исследовано основное уравнение процесса нагружения при малоамплитудном фретгинге, имеющее следующий вид:

// = — • 1п N + • 0,001 ■ ■■ <Г-х

(1)

л+1

п

е п

<

I и

при е 5®тах

т = д//

где д - нормальное давление;

ц - коэффициент трения;

в - относительная деформация, отношение текущей деформации в контакте к упругой части полного предварительного смещения;

Хт - коэффициент запаса силы трения;

п - безразмерный параметр пластичности.

Установлено, что уравнение (2) является геометрическим местом вершин симметричных циклов, т.е. является скелетной кривой для симметричного цикла нагружения (рис. 1).

Здесь же определен и физический смысл параметра пластичности п как пластической части предельного значения относительной деформации в контакте. Этот параметр характеризует способность контакта к деформационному упрочнению. Чем больше параметр пластичности, тем выше способность материала к деформационному упрочнению. Показано, что большим п соответствуют меньшие значения параметра Хт. При Хт-М наблюдается переход в полное фрикционное скольжение, при Х^+с пластическая деформация в контакте будет отсутствовать.

Установлена взаимосвязь между микроскопическим запасом силы трения Хт и параметром пластической части относительной деформации п. Получено уравнение нагружения контакта, содержащее один параметр кривой нагружения п.

Рис. 1. Зависимость напряжений от деформации в механическом контакте при различных параметрах уравнения процесса нагружения: 1 - п=0; Хт =е; 2 - п=0,25; Лт =2,52; 3 - п=0,5; Ап =2,25; 4- п=1,0; Хт =2,0; 5 - п=1,5; Хт =1,84; 6 - п-=2,0; Хт =1,73; 7 - п=3,0; Хт =1,58.

В третьей главе исследованы неравновесные процессы и энергетика контакта в условиях фретгинга. Показано, что систему трения при малоамплитудном фреттинг-процессе можно рассматривать как открытую самоорганизующуюся систему, действующую в условиях, далеких от равновесия. Рассмотрены основные принципы неравновесной термодинамики применительно к системе трения: принцип локального равновесия, принцип минимума производства энтропии, принцип наименьшего принуждения, принцип «неравновесность - источник упорядоченности». Показано, что под текущим равновесием системы трения в условиях малоамплитудного фретгинга следует понимать стационарное неравновесное состояние открытой системы, устойчивое по отношению к малым отклонениям (условие минимального изменения коэффициента трения).

В открытых системах трения, находящихся вдали от состояния равновесие развиваются зоны неустойчивостей с возбуждением широкого спектра колебаний. В качестве характеристики степени неравновесности многие авторы предлагают использовать отношение "фактора неравновесности", отражающего интенсивность внешнего

воздействия на систему, и соответствующего ему структурного фактора, характеризующего "энергетическую емкость" структуры системы. Носителями структуры являются структурно-кинетические элементы, на основе которых и определяются все внутренние параметры. Характеристики структурно - кинетических элементов существенно зависят от фактора неравновесности системы: чем выше степень неравновесности, тем мельче структура.

Подтверждением справедливости данного заключения для фреттинг -процессов является эволюция структуры в сторону измельчения зерен, формирования дислокационных кластеров для различных материалов (рис. 2).

X 500

Рис. 2. Фрагменты поверхностных слоев со структурными изменениями при фреттинг - процессе: а) молибденовое покрытие (h = 200 мкм); б) конструкционная низколегированная сталь; в) сталь высоколегированная

В четвертой главе исследованы термосинергетические аспекты фреттинг - процесса. Дан анализ термодинамики фретгинг-процесса, рассмотрены термодинамические модели Barney Е. Klamecki, И.Гершмана, А.Дубинина, В.Ивановой. Показано, что переходы от одного состояния к другому во время фреттинг-процесса контактируемых поверхностей могут происходить за счет формирования различных субмикроструктур в области контакта в пределах контурных площадок. При анализе установлено, что описание трения с позиций энергетики развивалось по двум направлениям: термоэлектрические модели и модели, построенные на основе термодинамики необратимых процессов, причем последние

развиты достаточно глубоко. Менее известны и развиты механизмы и модели мезоуровней, отражающих переходные процессы трансформации механической энергии в термодинамическую и обратно.

Таким образом, можно констатировать следующее:

1. Микро- и малоамплитудный фреттинг - процесс характеризуется неравновесными состояниями, являющимися следствием непрерывного перераспределения напряжений и диссипацией энергии в контакте.

2. Переход из одного неравновесного состояния к другому сопровождается эволюцией субструктуры в пределах контурных площадок на номинальном контакте тел.

3. Состояние вторичных структур при микро- и малоамплитудном фреттинг - процессе (ячеистые структуры, химическая перестройка и др.) характеризуется минимумом производства энтропии.

С учетом изложенного, трансформируя идеи вышеперечисленных авторов применительно к фретгинг-процессу, получена зависимость, позволяющая определить плотность энергии пластической деформации в номинально неподвижном механическом контакте при малоамплитудном фретгинг-процессе, содержащая ряд параметров, непосредственно определяемых из эксперимента.

(

2я+1

еЫ

еИ

слн*? тд? 1(Мп^ __!£ +е~Ш~__10

еЫ

еЫ

(3)

Графический вид полученной зависимости представлен на рис.3. На рис. 4 отражены этапы формирования и проявления усталостных процессов на поверхности металла по циклам нагружения.

700000 600000 500000

N, цикл

Рис.3. Зависимость плотности энергии пластической деформации от числа циклов погружения для сплава Т1-6А1-4У.

Ч

, ч.

' б)

в)

Рис. 4. Этапы формирования и проявления усталостных процессов на поверхности никилиевого сплава «Инконель- 718» по циклам погружения: а) N-1&; б) N-103; в) N- 1&.

Анализируя результаты, полученные из расчетной энергетической модели фретгинг-процесса отметим следующее:

- плотность энергии пластической деформации на ранней стадии малоамплитудного фретгинга соизмерима с величиной энергии, необходимой для зарождения трещины;

- наибольшее количество энергии при фретгинге закачивается в поверхностный слой материалов, характеризующихся повышенным коэффициентом трения и множеством плоскостей скольжения (ГПУ -структуры). Причем, по сравнению с ОЦК-структурами эта разница достигает4 ... 5%;

- второй максимум принимаемой поверхностным слоем энергии приходится на диапазон от 103 и более циклов и характеризуется как меньшими абсолютными значениями (100 ... 200 МДж), так и большими различиями для ГТГУ-, ГЦК- по сравнению с ОЦК- структурами. Разница достигает 25 ... 30%, что может объясняться двумя обстоятельствами: во-первых, началом активизации коррозионно-окислительных процессов в материалах на основе железа и, во-вторых, постепенным переходом к накоплению структурных повреждений в материале по механизмам, характерным для многоцикловой поверхностной усталости.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рассмотрены и развиты механизмы трения в условиях малоамплитудного фреттинг - процесса.

2. Адгезионная модель малоамплитудного фреттинг - процесса дополнена математической аппроксимацией, позволяющей связать коэффициент трения с базовыми физико - механическими характеристиками материалов пар трения.

3. Показано, что уравнение (2) является геометрическим местом вершин симметричных циклов, т.е. является скелетной кривой для

симметричного цикла нагружения. Другими словами, уравнение (2) можно считать основой для описания процесса нагружения при фреггинг - процессе.

4. Определен физический смысл параметра «л» как пластической части предельного значения относительной деформации в контакте. Этот параметр характеризует способность контакта к деформационному упрочнению. Чем больше параметр пластичности, тем выше способность материала к деформационному упрочнению.

5. Большим п соответствуют меньшие значения параметра Хт , т.е. пластическая деформация уменьшается с увеличением микроскопических запасов силы трения. При наблюдается переход в полное фрикционное скольжение, при пластическая деформация в контакте будет отсутствовать.

6. Установлена взаимосвязь между микроскопическим запасом силы трения кт и параметром пластической части относительной деформации п. Получено уравнение нагружения контакта, содержащее один параметр кривой нагружения п.

7. Показано, что пластические свойства контакта определяются исключительно распределением запаса силы трения Хт.

8. Исследованы механизмы самоорганизации при малоамплитудном фреттинг - процессе. Показано, что эволюция системы трения в направлении самоорганизации определяется механо-химическими параметрами фреттинга.

9. В ходе теоретических исследований установлено, что возникновение вторичных структур при фреттинг - процессе соответствует принципу наименьшего принуждения и сопровождается уменьшением коэффициента трения, тормозя процессы накопления усталостной повреждаемости поверхностных слоев.

10. Получена зависимость, позволяющая определить плотность энергии пластической деформации поверхностного слоя с учетом числа циклов

нагружения и физико - механических свойств контактируемых материалов.

11. Показано, что полученную расчетную модель можно рассматривать как основу для формирования баз знаний для моделирования структурных составляющих и состояния поверхностных слоев материала, эксплуатирующихся в условиях малоамплитудного фретгинг - процесса.

12. В результате сопоставления расчетных моделей и эксперементальных данных отмечается их удовлетворительная сходимость.

13. Отмечено, что формирование вторичных структур в зоне фреттинг -повреждения косвенно подтверждает присутствие резонансных эффектов в точках бифуркации, сопровождающихся предельно высокой плотностью энергии пластической деформации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. Перегибы на кривой фреттинг -усталости//В тр. Региональной научно - технической конференции «Материаловедческие проблемы в машиностроении», Брянск, 1997.-е. 2930.

2. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. и др. Износ и усталость металлов и сплавов при малоамплитудном фреттинге// В тр. 2 Международной конференции «Конструкционные и функциональные материалы КФМ -97», Львов, 1997. - с. 18-20.

3. Ковалевский В.В., Воробьев В.И., Сергутина Т.Э. Исследование технологии лазерного легирования с последующим азотированием//В тр. «Кгеертеае теЫ1 \ БШрблу», Ргевгбчу таггес, 1998. - с.29-35.

4. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. Исследование фреттингостойкости металлов с имплантированными ионными пленками// В тр. Всероссийской научно - технической конференции «Машиностроительные технологии»,

Москва, МГТУ им. Баумана, 1998. - с. 29-32.

5. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. и др. Влияние лазерной обработки сталей с различным содержанием углерода на износостойкость в условиях фреггинга.// В тр. VI Международной конференции «Лазерные технологии. Фундаментальные проблемы и приложения», Шатура, МГТУ им.Баумана, 1998.-С.72-73.

6. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. и др. Формирование функциональных поверхностей методом лазерного облучения// В тр. VI Международной конференции «Лазерные технологии. Фундаментальные проблемы и приложения», Шатура, МГТУ им.Баумана, 1998.-С.73-74.

7. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. и др. Рассеяние энергии в номинально неподвижном механическом контакте// В тр. внутривузовской конференции «Вклад ученых специалистов в национальную экономику», Брянск, 1998.-С.99-102.

8. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. Совершенствование моделей малоамплитудного фреттинг - процесса // «Материаловедение и производство»: Юбилейный сборник научных трудов/Под ред. Г.И.Сильмана, Брянск: Изд-во БГИТА, 2000. - с. 91-101.

9. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. Синергетическая модель контакта твердых тел в условиях фреттинг - процесса// Материаловедение и производство: Юбилейный сборник научных трудов/Под ред. Г.И.Сильмана Брянск: Изд-во БГИТА, 2000. - с. 101-107.

10. Сергутина Т.Э. Самоорганизация номинально - неподвижного контакта при малоамплитудном фреттинг - процессе//В тр. региональной НТК «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику».: В 3 т. -Т.2/ Под ред. Е.Н.Самошкина и др.. - Брянск: БГИТА, 2001. с.90 - 92.

11. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. Использование энергетической теории трибоконтакта в условиях фреттинг -процесса//«Материаловедение и производство»: Сборник научных трудов. Вып.2/ Под ред. Г.И.Сильмана.-Брянск: Изд-во БГИТА, 2001 г., с.104 - 110.

12. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. Резонансные явления в номинально неподвижном механическом контакте при малоамплитудном фреттинг - процессе// В тр. региональной НТК «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику».: В 3 т. - Т.2/ Под ред. Е.Н.Самошкина и др.. - Брянск: БГИТА, 2002. с.118 - 119. 13. Ковалевский В.В., Сергутина Т.Э. Структурный анализ тонких поверхностных слоев //«Материаловедение и производство»: Сборник научных трудов/Под ред. Г.И.Сильмана, Брянск: Изд-во БГИТА, 2003. -с. 205-209.

СЕРГУТИНА ТАТЬЯНА ЭДУАРДОВНА

СИЛОВЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В КОНТАКТИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛАХ В УСЛОВИЯХ МАЛОАМПЛИТУДНОГО ФРЕТТИНГ - ПРОЦЕССА

Подписано в печать 29.09.2003 г. Формат 60x80/16. Бумага офсетная 80 г. Отпечатано на ризографе. Усл.печ.л.1. Тираж 100 экз.

Брянская государственная инженерно-технологическая академия 241037, г. Брянск, пр. Станке Димитрова, 3

neVñP"

i

i

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВИБРАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МАШИНАХ И ФРЕТТИНГ - ПОВРЕЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Примеры проявления фреттинга в технике.

1.2. Механизмы фреттинга.

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФРЕТТИНГ -ПРОЦЕССА

2.1. Обобщенная механическая модель трения твердых тел Б.Дерягина, И.Крагельского, Н.Михина.

2.2. Адгезионная модель малоамплитудного фреттинг-процссса.

2.3. Силовая модель фреттинга номинально неподвижного механического контакта.

2.4. Дальнейшее развитие силовой модели трения в условиях фреттинг - процесса.

2.5. Дифференциальное уравнение для модели трения в номинально неподвижном механическом контакте в условиях фреттинг - процесса.

2.6. Особенности развития фреттинг - процессов за пределами предварительного смещения.i.

ГЛАВА 3. НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЭНЕРГЕТИКА КОНТАКТА В УСЛОВИЯХ ФРЕТТИНГА

3.1. Предпосылки к использованию синергетического подхода к изучению процессов при трении в условиях фреттинга.

3.2. Принципы неравновесной термодинамики.

3.3. Диссипативные структуры трения.

ГЛАВА 4. ТЕРМОСИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФРЕТТИНГ - ПРОЦЕССА

4.1. Термодинамика фреттинг - процесса.

4.2. Энергетическая модель фреттинг-процесса.

4.3. Экспериментальное подтверждение энергетической модели фреттинг - процесса.

Актуальность проблемы

Улучшение эксплуатационных свойств трибоматериалов за счет повышения надежности, долговечности и экономичности на сегодняшний день является одной из актуальных и значимых задач современного машино-и приборостроения. Потери средств от трения и износа в развитых государствах достигают 4.5 % национального дохода, а преодоление сопротивления трению поглощает во всем мире 20.25 % вырабатываемой за год энергии [70].

Изнашивание приводит к нарушению герметичности узлов, теряется точность взаимного расположения деталей и перемещений. Возникают заклинивания, удары, вибрации, приводящие к поломкам. Трение приводит к потерям энергии, перегреву механизмов, снижению передаваемых усилий, повышенному расходу горючего и других материалов. Положительная роль трения необходима для обеспечения работы тормозов, сцепления, движения колес. Явления трения и изнашивания взаимно обусловлены: трение приводит к изнашиванию, а изнашивание поверхностей деталей в ходе работы приводит к изменению параметров трения.

Для ликвидации последствий изнашивания проводятся текущие и капитальные ремонты, в ходе которых изношенные детали и узлы либо заменяют, либо восстанавливают. В процессе эксплуатации с целью профилактики изнашивания проводятся плановые техобслуживания.

Например, в США в начале 90-х гг. затраты на ремонт только автотранспортных средств составили около 24 млрд. долларов в год. В России же эти расходы (в ценах начала 90-х гг.) составили в среднем 40 млрд рублей. При этом установлено, что из-за износа, плохой регулировки и неправильно подобранных материалов теряется около 15% мощности двигателя.

Изношенные ДВС выбрасывают в атмосферу большое количество СО, соединений свинца и других вредных веществ. В связи с этим обострена экологическая проблема применения ДВС. Простои автомобилей из-за технических неисправностей в среднем автохозяйстве достигают 30-40% календарного времени [93].

Решение проблем трения, изнашивания и смазки позволило добиться высокого экономического эффекта. По оценкам международных экспертов широкое внедрение достижений в этой области способно на треть сократить затраты на ремонт и эксплуатацию транспортных средств, причем на одну шестую без заметных капитальных вложений. Иллюстрацию прогресса в деле внедрения достижений трибологии в 90-х гг. дают данные, опубликованные по Великобритании [93].

Результаты внедрения по статьям Годовой эффект, млп.ф.ст.

Снижение потребления энергии

28

Сокращение ручного труда

10

Снижение затрат на смазочные материалы

10

Снижение затрат на обслуживание и ремонт

230

Исключение потерь, связанных с поломками

115

Интенсификация использования оборудования и повышение КПД

22

Экономия вложений за счет повышения долговечности

100

Итого:

515

Несомненно, что расширение применения достижений трибологии в нашей стране тоже позволит существенно повысить эксплуатационное качество транспортных средств и достигнуть значительных экономических и экологических результатов.

Считается, что основными направлениями работ по существенному повышению эксплуатационных свойств транспортных средств на основе использования трибологии являются следующие [70, 93]:

- дальнейшее развитие фундаментальной теории трения и изнашивания, в первую очередь, в области трибоматериаловедения;

- совершенствование конструкции узлов трения транспортных машин, снижение материалоемкости, веса, повышение надежности и ресурса;

- применение новых материалов и технологий для повышения износостойкости и несущей способности пар трения;

- разработка и применение смазочных материалов четвертого и пятого поколений, на которые уже переходят развитые страны;

- использование экологически чистых методов эксплуатации, новых антифрикционных и фрикционных материалов, не содержащих асбест, свинец, соединения тяжелых металлов и другие токсичные и канцерогенные вещества;

- совершенствование конструкции уплотнений, обеспечивающих низкое трение, герметичность и исключающих попадание абразива в сопряжения деталей;

- ускорение перевода транспортных энергетических установок на более эффективные и экологически чистые энергоносители: топливный газ, электроэнергию, водород, солнечную энергию, применение энергоемких аккумуляторов энергии, как электрохимических, так и механических. Применение эффективных каталитических устройств газоочистки;

- повышение образовательного уровня материаловедов, инженеров-конструкторов, технологов и эксплуатационников в области трения, износа, смазки и других проблем трибологии.

В современной механике под трением понимают широкий круг явлений, вызываемых взаимодействием соприкасающихся поверхностей твердых тел при относительном перемещении, а также внутреннем движением в твердых, жидких и газообразных средах при их деформации.

Первоначальное развитие получило изучение внешнего трения как силы сопротивления относительному движению соприкасающихся тел при трогании с места, скольжении, качении, верчении, при смазке в гидродинамическом режиме, образовании на поверхностях тонких слоев в несколько молекул (граничная смазка) либо в отсутствие смазки (сухое трение).

Внутреннее трение в твердых, жидких и газообразных средах подробно изучено в аэро- и гидродинамике и связано с необратимым рассеянием механической энергии.

В технике трение является инициатором деформационных, динамических, тепловых, акустических, электрических, адгезионных и других процессов, определяющих ресурс работоспособности узлов трения машин, их энергетику и эффективность.

Первичной проблемой при изучении трения является контактирование соприкасающихся поверхностей. В понятие контактирования входит взаимодействие поверхностей, принадлежащих твердым телам, под действием относительного смещения и сжимающих сил с учетом их отклонения от идеальной формы и влияния среды (газы и смазочные материалы), присутствующей в зоне контакта.

Трибологами была разработана модель дискретного контактирования твердых тел при трении и гипотеза о двойственной природе фрикционного взаимодействия. Впервые она была сформулирована В.Д.Кузнецовым, Ф.П.Боуденом, Д.Тейбором, И.В.Крагельским и развита Н.Б.Демкиным, Н.М.Михиным, Н.М.Добычиным, В.С.Комбаловым, Е.Ф.Непомнящим и др. Итогом этой работы явилось четкое представление процессов трения и изнашивания твердых тел с учетом физических и химических явлений.

В результате анализа предложенной модели были сформулированы три последовательных и взаимосвязанных этапа процесса трения:

1) взаимодействие поверхностей с учетом влияния среды;

2) изменение поверхностных слоев в результате взаимодействия с учетом влияния окружающей среды;

3) разрушение поверхностей (износ) вследствие двух предыдущих этапов [70].

Позднее эти положения были дополнены А.В.Чичинадзе, который определил следующие показатели трения и износа:

- свойства материалов пары трения и окружающей среды;

- микро- и макрогеометрия контактирующих элементов и коэффициент взаимного перекрытия;

- режим трения по нагрузке, по скорости скольжения, по начальной, текущей объемной и поверхностной температуре и градиенту температуры по координате и времени [ 70, 86, 103].

Особую категорию в теории трения представляет малоамплитудный фреттинг - процесс. В этом случае фрикционные процессы сочетаются с ярко проявляющимися явлениями поверхностной и объемной усталости, коррозии. Многообразие и малоизученность этого взаимодействия и послужили причиной выполнения данного исследования.

Цель исследования

Целью диссертационной работы является развитие силовой модели и обоснование синергетической модели механизма фреттинг - процесса в материалах с целью их дальнейшего проектирования и технологической оптимизации свойств.

Задачи работы

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Проведение анализа современного состояния вопроса по механизмам и моделям фреттинг-процесса.

2. Исследование и разработка силовой модели малоамплитудного фреттинга на основе вибромеханики контакта.

3. Развитие энергетических аспектов процесса трения в условиях фреттинга с использованием синергетического подхода.

4. Экспериментальная оценка адекватности расчетных моделей реальным параметрам трения при фреттинг -процессе.

Методы и средства исследования

Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений системного анализа и математического моделирования, а также соответствующих разделов теории дифференциального исчисления. При выполнении работы использовались: метод аналитического математического моделирования, численные методы, методы математической статистики, аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решения. В процессе исследования были проанализированы: техническая документация, справочная литература, публикации по теме исследования. Сопоставление адекватности исследуемых моделей с экспериментальными данными проводилось с использованием компьютерной программы Mathcad 6.0. и Excel 7.0 с обработкой полученных данных на IBM PC совместимых компьютерах.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

- получена аналитическая зависимость, позволяющая связать коэффициент трения при малоамплитудном фреттинг - процессе с базовыми физико -механическими характеристиками материалов пар трения;

- получено уравнение для описания процесса нагружения при фреттинге, установлен вид скелетной кривой; определен физический смысл параметра пластичности, характеризующего способность контакта к деформационному упрочнению;

- установлена взаимосвязь между микроскопическим запасом силы трения и параметром пластичности. Получено уравнение нагружения контакта, содержащее один параметр кривой нагружения - параметр пластичности;

- получена зависимость для определения плотности предельной энергии деформации поверхностного слоя с учетом числа циклов нагружения в условиях малоамплитудного фреттинг-процесса.

Основные положения, выносимые на защиту :

- методы математического описания трения в условиях малоамплитудного фреттинг - процесса; и

- физическое толкование базового показателя - параметра пластичности, позволяющего связать прочностные свойства материала с трением в условиях фреттинга;

- энергетическую модель мало- и микроамплитудного фреттинг -процесса.

Практическую ценность составляют:

- полученные силовая и энергетическая модели трения в условиях малоамплитудного фреттинг - процесса;

- возможность прогнозирования и проектирования поведения и свойств материалов пар трения, эксплуатирующихся в условиях фреттинга;

- возможность создания информационных баз знаний на основе теоретических расчетов с целью проектирования новых материалов с заданными свойствами (фреттингостойкость).

Реализация и внедрение результатов исследования:

- методики расчетов переданы для реализации и опытного внедрения в практику работы конструктурско - технологических служб ОАО «Кремний» и НИИ «Изотерм»;

- используются в учебном процессе БГУ, БГИТА при чтении курсов «Физические основы прочности» и «Избранные разделы теории трения твердых тел».

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

1) на секциях конференций:

- Международной конференции «Конструкционные и функциональные материалы КФМ - 97», Львов, октябрь 1997;

Всероссийской научно - технической конференции «Машиностроительные технологии», Москва, МГТУ им. Баумана, 1998;

VI Международной конференции «Лазерные технологии. Фундаментальные проблемы и приложения», Шатура - 1998;

- Внутривузовской конференции «Вклад ученых специалистов в национальную экономику», Брянск, 1998;

- Региональных научно - технических конференциях «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику», г.Брянск, 16 - 18 мая 2001 г.; 16-18 мая 2002 г.; 22-23 мая 2003 г.

2) на тематических межкафедральных семинарах преподавателей и аспирантов.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрены и развиты механизмы трения в условиях малоамплитудного фреттинг - процесса.

Адгезионная модель малоамплитудного фреттинг - процесса дополнена математической аппроксимацией, позволяющей связать коэффициент трения с базовыми физико - механическими характеристиками материалов пар трения.

Показано, что уравнение (18) является геометрическим местом вершин симметричных циклов, т.е. является скелетной кривой для симметричного цикла нагружения. Другими словами, уравнение (18) можно считать основой для описания процесса нагружения при фреттинг - процессе.

Определен физический смысл параметра «п» как пластической части предельного значения относительной деформации в контакте. Этот параметр характеризует способность контакта к деформационному упрочнению. Чем больше параметр пластичности, тем выше способность материала к деформационному упрочнению. Большим п соответствуют меньшие значения параметра А,„ , т.е. пластическая деформация уменьшается с увеличением микроскопических запасов силы трения. При А,,,-* 1 наблюдается переход в полное фрикционное скольжение, при А„т^е пластическая деформация в контакте будет отсутствовать.

Установлена взаимосвязь между микроскопическим запасом силы трения Хт и параметром пластической части относительной деформации п. Получено уравнение нагружения контакта, содержащее один параметр кривой нагружения п.

Показано, что пластические свойства контакта определяются исключительно распределением запаса силы трения А,„.

8. Исследованы механизмы самоорганизации при малоамплитудном фреттинг - процессе. Показано, что эволюция системы трения в направлении самоорганизации определяется механо-химическими параметрами фреттинга.

9. В ходе теоретических исследований установлено, что возникновение вторичных структур при фреттинг - процессе соответствует принципу наименьшего принуждения и сопровождается уменьшением коэффициента трения, тормозя процессы накопления усталостной повреждаемости поверхностных слоев.

10. Получена зависимость, позволяющая определить плотность энергии пластической деформации поверхностного слоя с учетом числа циклов нагружения и физико - механических свойств контактируемых материалов.

11. Показано, что полученную расчетную модель можно рассматривать как основу для формирования база знаний для моделирования структурных составляющих и состояния поверхностных слоев материала, эксплуатирующихся в условиях малоамплитудного фреттинг - процесса.

12. В результате анализа расчетных моделей и эксперементальных данных отмечается их удовлетворительная сходимость.

13. Показано, что формирование вторичных структур в зоне фреттинг -повреждения косвенно подтверждает присутствие резонансных эффектов в точках бифуркации, сопровождающихся предельно высокой плотностью энергии пластической деформации. 4

1. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983. - 279 с.

2. Алябьев А.Я. Фреттинг коррозия и ее структурно - энергетическое описание. // Надежность и долговечность авиационных газотурбинных двигателей. - Киев, изд-во КНИГА, вып.1, 1971 г. С. 38 - 43.

3. Алябьев А.Я. Шевеля В.В., Рожков М.Н. Структурные изменения и кинетика коррозионных процессов при фреттинг коррозии металлов. // Физико-химическая механика контактного взаимодействия и фреттинг-коррозия, КИИГА, Киев, 1973 г., С. 140-141.

4. Ахромеева Т.С., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г., Самарский А.А, Нестационарные структуры и диффузионный хаос. -М.: Физматлит, 1992. -542 с.

5. Баланкин А.С. Синергетика деформируемого тела. М.:МО СССР, 1991. -404 с.

6. Бершадский Л.И. Информационная модель необратимых процессов. Д.А.Н. УССР, 1978, №5, С. 416-419.

7. Бершадский Л.И. Новое в теории и практике структурной приспосабливаемое™ и приработки кинематических пар. Киев, 1985. 108 с.

8. Бершадский Л.И. Структурная термодинамика трибосистем. Киев, Общество Знание, 1990. -31 с

9. Боуден Ф.П., Тэйбор Д. Трение и смазка твердых тел. М., «Машиностроение», 1969. 544 с.

10. Браун У., Сроули Дж. Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации.- М., Мир, 1972 . -245 с.

11. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982. 190 с.

12. Буше Н.А., Копытько В.В. Совместимость трущихся поверхностей. М.:13