автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Теоретическое и экспериментальное обоснование расчета узлов трения с твердосмазочными покрытиями

На правах рукописи

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЕТА УЗЛОВ ТРЕНИЯ С ТВЕРД0СМА30ЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь 1996

Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете.

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор ДЕМКИН Н.Б.

Научный консультант - кандидат технических наук

АЛЕКСЕЕВ В.М. '

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

ГОРЯЧЕВА И.Г. - кандидат технических наук Киршин H.H.

Ведущая организация - Институт машиноведения им. А.А.Благо-

нравова РАН

Защита состоится " / " ////■-/->' 199/'-' г, в /'/ часов на заседании диссертационного совета К063.22.02 Тверского государственного технического университета по адресу: 170026, г.Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " _'/ " ///.: '/•/-■! 199 Г.г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

И.И.БЕРКОВИЧ

Актуальность работы. Надежность и долговечность современных машин и оборудования во многом определяется работоспособностью узлов трения, входящих в их конструкцию. Поэтому обеспечение оптимальных фрикционных характеристик узлов трения в течение всего периода эксплуатации, при заданных режимах работы, представляется весьма актуальной задачей.

В настоящее время, одним из способов обеспечения необходимых фрикционных характеристик узлов сухого трения, является нанесение на контактирующие поверхности низкомодульных твердосмазочных покрытий (ТСП). ТСП сочетают высокую несущую способность с малым сопротивлением сдвигу и обеспечивают устойчивую работу трибосоп-ряжений в условиях высоких и криогенных температур, вакуума, радиации, высоких нагрузок и скоростей скольжения.

Для эффективного использования ТСП необходимо прогнозировать оптимальные характеристики работоспособности узла трения на стадии проектирования оборудования. Это может быть достигнуто применением системы автоматического проектирования (САПР), в которую будут включены математические модели расчета свойств фрикционного контакта с ТСП. Для создания таких моделей необходимо исследовать механизм контактного взаимодействия шероховатых поверхностей, имеющих твердосмазочное покрытие, при статическом и динамическом режимах эксплуатации трибосопряжения, с учетом реологических и температурных изменений механических свойств вязкоупругих материалов покрытия и получить расчетные соотношения, описывающие работоспособность трибосоряжения с ТСП при заданных режимах эксплуатации.

Делью работы. является - экспериментально-теоретическое обоснование методик расчета характеристик фрикционного контакта шероховатых поверхностей, имеющих покрытие на основе полимерного связующего, с целью определения триботехнических параметров узлов трения с ТСП.

Для достижения этой цели поставлены задачи:

- на базе решения осесимметричной контактной задачи для упругого двухслойного полупространства исследовать влияние пластических деформаций покрытия на характеристики контакта единичной микронеровности, распространить решение на множественный контакт шероховатых поверхностей;

- экспериментально исследовать реологические характеристики

и влияние температуры на физико-механические свойства покрытий на основе полимерного связующего, разработать феноменологическую модель, описывающую происходящие при этом процессы; разработать алгоритм определения комплекса физико-механических констант материала покрытия по результатам контактных испытаний;

- получить и экспериментально проверить соотношения, определяющие работоспособность номинально плоского фрикционного контакта и подшипника скольжения с ТСП, в зависимости от условий их эксплуатации.

Научная новизна. Решена задача о действии сосредоточенной силы на границу двухслойного упругого полупространства, на базе которой получены количественные соотношения для расчета основных характеристик контакта упругой сферической микронеровности с упругим двухслойным полупространством.

Предложено инженерное решение контактной задачи о внедрении упругой сферической микронерозности в упрутопластическое двухслойное полупространство. Влияние пластических деформаций на характеристики упругого контакта учтено введением функции пластичности, предложена методика экспериментального определения вида этой функции.

Определены характеристики контакта шероховатой поверхности с упругопластическим двухслойным полупространством.

Предложен критерий перехода от преимущественного упругого деформирования материала покрытия к развитому пластическому.

Построена феноменологическая температурно-временная модель физико-механических свойств для материалов ТОП на основе полимеров, наполненных смесью графита с МоЗг-

Получены зависимости, позволяющие рассчитать основные фрикционные характеристики номинально плоского фрикционного контакта и подшипника скольжения с ТСП, в широком диапазоне скоростей скольжения и температур в зоне контакта. Экс.периментапьно подтверждены расчетные соотношения для коэффициента трения и несущей способности узлов трения с ТСП.

Практическая полезность. Разработана инженерная методика расчета параметров контактного взаимодействия кероховатых поверхностей с покрытиями.

Создана расчетко - экспериментальная методика и соответствующее ей метрологическое обеспечение для прогнозирования изменения

физико-механических свойств материалов покрытий с полимерным связующим в процессе эксплуатации узла трения. Разработан алгоритм определения физико-механических констант материала покрытия по резуль татам коитактнга испытаний.

Разработана инженерная методика расчета подшипников сколь-копия с трерзосмагочными покрытиями, позполя^пц^ определить р?-жйуы эксплуатации узла, толшдау покрытия, и параметры иккрогео-ме'юин контактирующих поверхностей,при которых коэффициент трения и интенсивность изнашивания трибосопряженил будут минимальными.

Разработан комплекс оборудования для экспериментального исследования триОотехнических характеристик подлинников скольжения с покрытиями (получено положительное решение НКйГПЭ РФ).

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. XIX и XX научно-техническая конференция "Физика и механика композиционных материалов на основе полимеров". Гомель. 1990, 1991. 2. Научно-техническая конференция "Применение полимерных материалов при ремонте и восстановлении деталей машин и оборудования". Ижевск, 1990. 3. Всесоюзная научно-техническая конференции "Износостойкость макин". Брянск,1991. 4. II научно-техническая конференция молодых ученых и сп»даэлис?ов ТвзПИ. Тверь, 1991. 5. XXVIII научно-техническая конференция nooavccopcKo-преподавательского состава ТвеПи. Тверь, 199,1'. б. V научно-техническая конференция "Триботехника-машиностроению". Ниж. Новгород. 1991. ?. Научно-технический семинар-смотр "Трибодсг-::М". Ростов. !991. 8. Российский симпозиум по трибологии "Актуальные проблемы трибологии". Oavapa. 1994. 9. Конференция молодых ученых и специалистов Тверского региона. Тверь, 1995.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 статей.

Структура работы. Лиссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка, литературы и приложения.

содержание работы

Во ььеления обосновывается актуачьно^т; выбранной т-?уи. сформулированы цель и задачи исследования.

В пеовой главе провстпвлоя критически:; анализ современных

- б -

научных исследований контактного взаимодействия сопряжений с покрытиями из твердосмазочных материалов, влияния температуры и времени на свойства фрикционного контакта ТОТ, экспериментальных исследований работоспособности фрикционного контакта и прогнозирования триботехнических характеристик узлов трения с ТСП.

Исследованию работоспособности фрикционного контакта с ТСП посвящены работы В.А.Белого, Ф.Воудена, Е.Брейтузйта, Н.В.Демки-на, Ю.Н.Дроздова, М.Н.Добычика, И.В.Крагельского, ?.М.Матвеевского, А.П.Семенова, А.П.Свириденка, Г.И.Трояновской. й.Г.Горячевой, А.П.Макушкииа, В. В. Можаровского, 0. В. Су тятина я других'. Анализ исследований триботехнических характеристик узлов трения с ТСП показал, что интенсивность изнашивания и коэффициент трения зависят от механизма изнашивания, реализуемого в конкретном случае нагружения. Оптимальный режим работоспособности узла соответствует усталостному износу, при минимальном вкладе пластической составляющей в формирование фрикционного■контакта. Увеличение удельного вклада пластической деформации микронеровностей сопровождается резким увеличением интенсивности изнашивания и дальнейшим разрушением покрытия. В 'существующих методиках расчета узлов трения с ТСП принято постулировать вид контакта в сопряжении: упругий или пластический, и в зависимости от этого применяют различные соотношения для определения характеристик фрикционного контакта.

Анализ известных способов решения контактных задач позволяет предположить, что Формирование, существование и разрушение пятен фрикционного контакта является проявлением различных стадий единого упругопдастического процесса. Однако расчеты характеристик контакта с позиций упругопластичности в настоящее время развиты недостаточно, ? силу значительных математических трудностей, возникающих при рещекии упругопластическях задач классическими методами. Кроме того, необходимо уточнение известного критерия перехода ст упругого контакта к пластическому применительно к единому упруго!Ш<стич«скзму процессу деформирования.

Известные анаипгичсели- зависимости для ак-нкк работоспособности -;>рпкш:снного контакта с ТОТ не учитыьак/г в достаточной мере .изменение хлзлко-механкч^'к::;-; свойств покрытия за счет фи-пленного разогрева контакта ;: сокращения времени ьза;:мз;:ейстзп'-; единичных м/'кг.скероБноотей пол увеличении скорости относительного

скольжения. В результате этого, работоспособность и долговечность трибос-опряжений с ТСП определяется, в настоящее время, преимущественно экспериментальным путем, что затрудняет применение результатов таких исследований к другим узлам трения и материалам покрытий.

Проведенный литературный обзор показал, что несмотря на определенный прогресс, достигнутый г этой области, ряд вопросов, смзатшх с исследованием работоспособности фрикционного контакта с ТОП изучен недостаточно. Существующие модели контактного взаимодействия шероховатых тел с покрытиями необходимо уточнить с позиции единого упругопластического процесса деформирования микронеровностей и дополнить учетом влияния температурных и реологических свойств материала ТСП. Серьезным недостатком известных методик расчета фрикционных характеристик узлов трения с ТСП является их невысокая точность при анализе динамического режима эксплуатации трибосопрлжения. На основании этого были сформулированы указанные выше цели и задачи исследования.

Зо второй главе приведены результаты теоретического и экспериментального исследования контактного взаимодействия единичной микронеровности в виде шарового сегмента с двухслойным упругоп-ластическим полупространством.

Рассмотрено действие сосредоточенной силы на границу двухслойного упругого полупространства. Решение получено в предположении, что деформированное состояние можно представить в виде суммы деформированного состояния от действия сосредоточенной силы на полупространство из материала покрытия и дополнительного деформированного состояния, обусловленного влиянием основания. Тогда компоненты перемещений ы% и и,; по осям 2 и г и компоненты напряжений бГ1, б2ь 6л»1, т2Г1 могут быть представлены функционалами, зависящими от механических констант £«, ц- материалов покрытия (1 » 1) и основания и гармонических функций ЧЧ и ф, слоя и

основания.

Функции и у1; приняты в виде:

- \г

Ее 6Л:

где 10 - функция Бесселя; ф0 = Ц-И/тГ-р = ¡а-Ы/тг-ро (Аг)е <1А-

гармоническая функция, описывающая напряженно-деформируемое состояние, обусловленное действием силы N на полупространство из материала слоя;р - радиус пятна упругого контакта; 11=(1-{112')/Е1-. на- коэффициент Пуассона материала покрытия; ЕЬ-модуль упругости материала покрытия; А - параметр интегрирования; А.В.С.В.Е.Р - Функции параметра А, подлежащие определению из граничных условий:

а) на поверхности раздела (г -- о)

иг (г, 5) = иг (г, 5) ; б21 (г, о) = (г, 5) ; «1 (г, б) = &>о (г, б) ; Х-гГ1 (г, б) - Ггг2 (Г. 5) ;

б) на верхней поверхности слоя (г = 0) (2)

Т2гг (г, 0) = 0 ; -йД|б=(г,0)гг)г = N.

о0

где 5 - толщина покрытия.

Полученные результат],I позволили записать уравнение совместности перемещений шарового сегмента и границ:,! двухслойного полупространства в виде:

' о

¡1 гг . г 1

— ш(г ,о) I 1о(АЗ) А (А.бН - сйсй/з - а--; (3)

п ' о'-1 ' Ь ] 2 К '

где Л(А,5)

-2А5 -4АО

-4бАе - (Т2+1) - е (Ь/1гУз-1)

2 2 -2Л5 -2А5 Л Г.

40 А е - (тг+1-е ,Ке Ц/^Тз 1)+.1>

где VI - 2в1/<б:-бг); т*г = 4!1<32п; *з » 1 - а - сбли-

жение парового сегмента у. двухслойного полупространства; г'-расстояние от точки приложения силы до точки первоначального контакта; 3 - расстояние от рассматриваемой* то^ки загруженной области до точки приложения силы; К - радиус шарового сегмента; 01=^1/2(14,1] =(1-№>й>/ Е.>; 3* = Ее/гИ+цц); ¡з = и-И32)Дз;

Ег к цз, - коэффициенты Пуассона и модули упругости материалов основания и сегмента.

Решение уравнения (3) поручено в предположении, что распределение давления по площадке контакта описывается параболоиде.' вида:

q(r\o) = (1 + ß)-Ar (l " f-—] 1"; (4)

jtp" v v p ' >

где показатель степени 0 определяется из уравнения (3) при условии, что для всех rj€ [0,1]

. | C8P(ri) - GP(0)]2 = min-, (5)

Г ( «(P) Л Га2П

где ÖP(гi) = W(r.;)/ 1 - 1----— ; W(r-;). W(0), W(p)-

W(0) > p2 -1'

левая часть уравнения (3) при г=п, r=0, г^р соответственно. Разработан алгоритм для численного решения поставленной задачи на ЭВМ, позволяющий рассчитывать основные характеристики упругого контакта сферической неровности с двухслойным полупространством.

Проведен анализ влияния пластических деформаций на характеристики контакта единичной микронеровности с упругопластическим сплошным и двухслойным полупространством. Введено понятие функции пластичности ¥ - аналитической функции, принимающей значение ¥ = 1 при упругом взаимодействии и ¥ < 1 при наличии пластических деформаций. Для двухслойного полупространства функция ¥ определяется соотношением:

¥ = Qyn/q; ■ (6)

где qvn- среднее давление на контакте при упругопластическом взаимодействии, q - среднее давление, рассчитываемое согласно (3), (4) пои допущении,что двухслойное полупространство является упругим .

Полагая, что пластический отпечаток имеет форму сферической лунки, площадь проекции которой равна площади проекции пятна контакта под нагрузкой, получены формулы, определяющие радиус пятна упругспластического контакта рУ(Ь упругую ау, пластическую ап и полную аУц составляющие внедрения микронеровности, радиус кривизны остаточного отпечатка Ri, коэффициент упругопластической деформации выступов

-о. 5

Руг. = р'¥ ау = ах-

ап - а-ах- (¥"! - : <;г>

г.уп = а,<-¥0-5 + ¿vft-or1 - ¥°-D);

Rl = R/(l- V1-5)-, ayn = «/^^(l-aH«];

pi „ 3 r01

где ах= (l+B)Nlin/jrp; h" = hl d-V2) V Io(UV)A(U,0 dUdV;

0J 0J

V = S/p; U - Лр; = 5/p; а -коэффициент упругой осадки выступов.

Для исследования функции пластичности проведены модельные эксперименты по внедрен!«) сферического индентора в плоскую поверхность покрытия, нанесенного на стальную подложу, механические свойства которого варьируются в широком диапазоне.

Эксперименты проводились на твердомере ТШ-2, диапазон рабочих давлений которого был расширен с помощью специально сконструированного приспособления, микротвердомере ПМТ-3, пирамидальный индентор которого был заменен на сферический, приборе ИКД предназначенном для исследования характеристик контакта единичного индентора с покрытием из низкомодульных материалов d2/Ii< Ю-3). Конструкция прибора ИКД, позволяла измерять радиус пятна контакта сферической стеклянной линзы с покрытием непосредственно в процессе нагружения с помошьв окуляр-микрометра микроскопа.

Результаты одного из серии экспериментов представлены на рис.1 в виде диаграммы давления покрытия из Sn на стальной подложке и соответствующей ей функции пластичности. Проведенные исследования показали, что для каждой пары материалов покрытие-подложка существует единственная функция пластичности, независящая от способов ее определения и размеров индентора.

На кривых диаграммы давления и функции пластичности выделены два характерных участка, разделенные точкой перегиба Е, соответствующей среднему давлении на контакте , при котором зона пластических деформаций, развивающихся под индентором достигает подложки. На участке [ЛЕ] параметры контакта определяются преимущественно упругими свойствами материалов покрытия и основания, LEN3 -взаимным влиянием упругих и пластических свойств основания и покрытия. По результатам экспериментов получены апроксимационные зависимости для анакитическсго описания функции давления и пластичности:

# 103 101в

Рис.1. Диаграмма давленая для покрытия изБпна подлокке сталь 45(а) л соответствующая ей функция пластичности (б): о - результаты эксперимента: • - характерные точки; I - расчет по Формуле (8).

Шз-1

Чуп = Ч 1 +

(8)

Шз^!

V = 11 +

О)

где Нхз = Нх2 + (Н>:1 - НХ2)(2Сб/ауп)-(Нха - Нхг)(С5/аУп)2; тз =• '"г + Ст 1 - тц) (£С5/ауп)-(пи - то) (С5/ауп)"; С=а*кр/5; аАкр

внедрение, соответствующее точке Е; НХ1. НХ2. Нхз - характеристические твердости материалов покрытия, основания и комплексная; гщ, Ш2, тз - показатели степени, имеющие смысл степени упрочнения материалов покрытия, основания и комплексной.

кет программ в средах МаИгеас!, СИ, 03аз1с. Результаты расчета по формуле (8) представлены на рис.1 в виде сплошных линий, и хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований.

В третьей главе получены количественные соотношения, определяющие работоспособность фрикционного контакта с твердосмазочным покрытием.

При описании множественного контакта шероховатых тел с покрытиями принята расчетная схема Н.Б. Демкина, исходящая из модельных представлений о шероховатости реальных поверхностей. Применяя моделирование шероховатой поверхности набором сферических сегментов одинакового радиуса, вершины которых распределены по степенному закону и используя соотношения (3)-(8) получены формулы, определяющие номинальное контактное давление Ча.. сближение а и фактическую площадь контакта Аг для упругопластического взаимодействия шероховатой поверхности с покрытием, для номинального контактного давления, в частности, получено:

Для расчета по предложенным соотношениям был разработан па-

Чах р* 1,ь у-2 -2м-1 г/м --1 (Ы) I е. .--

61; (10)

V

(2сО С1+3) I

1

икз , 1?РЧ0-5, ¥г-5

где рах = -[- ------; Ум = я-г-?;

1,5тП]1- Р > Шу,1 1-а На!1'"-

V - параметры опорной кривой; КЗ - Г(2,5)Г(у+1)/Г(у+1,5); Г(х) - гамма функция х; Н - средний приведенный радиус микрсне-ровностей; Кр - высота сглаживания; t, з - усредненные па-

раметры внедрения единичной чикронерогяости.

На основании расчетных соотношений для характеристик множественного контакта в рамках молекулярно->механической теории трения выведена зависимость, определяющая коэффициент трения £ шероховатых поверхностей:

V у+1 Л 2 \>-2

Г - - +3+ -

Са V

ЧаККр о'

(1-1) I м %

-------------

ар

(11)

где т0- сдвиговое сопротивление молекулярной связи при отсутствии нормальной нагрузки; в - коэффициент упрочнения молекулярной связи; ссГ - коэффициент гистерезисных потерь; а, р, N - усредненные параметры внедрения единичной микронеровности, определяемые согласно (7),(10).

На базе разработанной модели контакта шероховатых поверхностей получены формулы для критического давления чЖр номинально плоского контакта с покрытием и предельной нагрузки Мкр подшипника скольжения с покрытием, при которых происходит переход от преимущественно упругого деформирования мккронеровпостей к развитому-пластическому, что в процессе эксплуатации трибосопряжения соответствует переходу от усталостного разрушения поверхностного слеп материала к пластическому оттеснен™ и микрореганиз покрытия.

В качестве критерия перехода от преимущественного упоугого контакта к развитому пластическому принято давление акР, при котором упругая составляющая сближения шероховатых поверхностей ау равна ее пластической составляющей ал.

Для о.-у.-р и Мк>; получено:

0,5 \н0.5

^ КЗ , - -

Олкр ---I ■—I ■ I--- ГС£кр) ; <

0.657 Д" И ' V й р,э /

Ккр = 2К1ФСЬ сак;„; с

-2v-l

0,5

(1 + акр) NKP

где Т(£,Кр) =

0,5+v

Экр Ркр

V

2 йКр

где £,кр> <*кр > 3-кр• Ркр»МКр - усредненные характеристики упругого взаимодействия единичной микронеровности и двухслойного полупространства при давлении на контакте равном аКр; ь - длина контакта; 1?1 - радиус в,зла. Здесь ф0 -- фкр- половина угла контакта вала с покрытием и шероховатой втулкой, определяема1! численным решением интегрального уравнения:

ш— \>+п.5 \л-0,5 -2у-1 (14)

где Лг - радиальный зазор в сопряжении Еал-втулка.

Рассчитать параметры f, Чакр, NKp в динамическом режиме работы трибосопрякения позволяет замена констант физико-механических свойств материалов покрытия н, Нхь х0, в в формулам (11),(12),(13) на соответствующие операторы, являющиеся функциями температуры и времени.

для исследования температурно-временной зависимости физико-механических свойств материалов покрытий разработана специальная методика. Она состоит в определении свойств материала покрытия по результатам контактных испытаний, проводимых в широком температурном и временном диапазоне, и описании этих свойств в соответствии с предложенной моделью. Методика реализуется на стандартном (профилограф-профилометр модели 201, 1МГ-3) и специальном оборудовании. На предметных столах указанных приборов был установлен электронагревательный элемент, в корпусе которого фиксировался образец с покрытием. Автоматический потенциометр КСП-4-обеспечивал постоянную температуру поверхности образца в диапазоне 20°С-180°с. При определении Ii, tG, ¡3 нагрузка зыбиэалась из условия: ст.Н>;1. Для оценки h производится непрерывно* измерение величины внедрения тороидальной опоры профилогрзфа-профилом^тра в образец с покрытием. При определении H:<i проводилось измерение площади отпечатка, полученного при различных временах нагрукекия. Максимальна.?, длительность нагруж&нк? в экспериментах с Ь. Hxi ограничивалось моментом, когда измерение исследуемой величины

v 0,5+v 2 а Кр v(v-l)

0,5+v

S, кр

принимало монотонный характер. На основании предложенной модели контактного взаимодействия сферической микрснеровности с упругим полупространством разработан алгоритм определения Ц, учитывая влияние пластических деформаций покрытий разработан алгоритм определения НХ1.

Для исследования фрикционных характеристик покрытии использовался микротрибометр, работающий по схеме сфера-плоскость. Измерив величину коэффициента трения при двух различных нагрузках и решив совместную систему из двух уравнений, получаемую из решения для единичного индентора согласно молекулярно-механической теории трения, можно определить значения сдвигового сопротивления молекулярной связи т'о и коэффициента упрочнения молекулярной связи в.

Учитывая широкое применение в современной технике антифрикционных покрытий на основе полимеров, в качестве объекта исследования были выбраны материалы этого класса (ВНИМНП-212,-213, -230,-512, ЭОНИТ-3). В результате анализа экспериментов получена"-феноменологическая модель температурно-временной зависимости физико-механических свойств покрытий на основе полимеров, наполненных смесью графита с МоБ-д в виде следующих операторов:

~((1-г)1/1) те

11(Ь,Т)= I!о(,тс)•ехр(17.38)■

НХ1(!;.Т)= НхюСиДг)-ехр(-2.Б8) • ! ; (15)

3.57

х0= Тс (1 - 0) ;.

0.71

I! = Рс(1" в)

где ьад), Нчг(1,7) - упругая постоянная и характеристическая твердость покрытия при температуре Т, в момент времени 1-, Тс). НхЮ(т.о»Тс) * упругая постоянная и характеристическая твердость покрытия при температуре стеклования Тс, в момент времени г.о-*0; 8 = !.Т-1с;/(Тпл-'Гс); Т.- текущая температура; Тс, Тпл - температуры стеклования и плавления '.химического разложения) полимерного связующего; I - время взаимодействия; у, 1, п - реологические коэффициенты; тс- величина тс при Г - Тс; вс- величина

В при Т = Тс.

В четвертой главе описываются экспериментальные установки, методики проведения, и результаты экспериментов по исследованию влияния скорости скольжения и нагрузки на тоиботехнические характеристики узлов трения с покрытием. Производится проверка количественных соотношений, определяющих работоспособноегь фрикционного контакта с покрытием.

Изучепке влияние скорости скольжения и нагрузки на характеристики изнашивания номинально плоских поверхностей с покрытием, производилось на установке МТ£-3. Конструкция малины трения позволяет производить испытания при скоростях от 0.5 до б м/с и нагрузках от 10 до 200Н. В процессе испытания непрерывно фиксируется величина линейного износа, момент трения, температура в зоне йрикционног о контакта.

Исследование влияния нагрузки на кинетику изнашивания подшипников скольжения с покрытием проводилось на базе автоматизированного комплекса, предназначенного для триботехничеоких испытаний материалов покрытий. Основу механической части комплекса составила 3х позиционная машина трения, позволяющая проводить испытания при нагрузках от 10 до 500Н и скоростях скольжения от 0,042 до 1,3 м/с. Особенностью констсукции машины является применение в качестве узла трения автономного модуля, замкнутая силовая схема которого позволяет производить переналадку отдельного узла в отрыве от испытательного устройства, не прерывая эксперимент, что дает возможность значительно сократить время испытаний. Конструкция узла трения обеспечивает высску?.1 достоверность и точность результатов испытании за счет устранения перекосов и дсволнительного трения, вносимого элементами узла, что весьма вахне при испытаниях антифрикционных покрытий (на данный узел тоевия получено положительное решения Му'ИГПЭ Р1у. Основу контролирующей части комплекса составил четырехканатьный АЦП и восьмиразрядный компьютер на о аз о микрслзок'-сеооа "30 5;/!30.

йспьтываяис; наиболее широко применяемы-:; в узлах тр-ния ТОП тина 6НИйЧЛ-?12.-230. 30Н/ГГ--3. Ыасеоиал контробрлзчов - сталь 50X1;., 1Х1еН0Г. На ьпс.З представляй график зав;: гиусоти коэфоинн-гнта трения : со скорости скольжения ■_> г л я материала ЗННХНЛ-312. Р'-зуд;:-тать: эксперимента хорошо сог.ивл'ются с -оасчето." по тоскулам ,11 ¡л 15;. Зкстермальные хараксьо кенв:" коэффициента

0,16 0,14 0,12 0,10

о%Ьо/

о/

}

о /

88 V

о О

о ООО °сР оо.

-О— '■'-'------ О 0

0,- 1 1,0 ю

1(м/с

Рис.2. Зависимость коэффициента трения'от скорости скольжения для материала ЭОНИТ-З: о- результаты эксперимента; I -расчет по формулам (II), (15).

о /

( > 1пс ) /

О

0,5 1 1.5 2 2,5 Чго-Дакр Рис.3. Зависимость интенсивности изнашивания материала ВНИИНП-212 от среднего давления для номинально плоского контакта.

0,5 1 15 2. М/МКР

Рис.4. Зависимость интенсивности изнашивания материала ВНИИНП-212 от нагрузки в сопряжении вал-втулка.

2

трения обусловлен снижением 1" при увеличении и в следствии повышения упругих характеристик покрытия, за счет уменьшения времени контактирования и последующем повышении I при уменьшении НХ1 и И вызванном фрикционным разогревом трущихся поверхностей.

На рис.3 и рис.4 представлены зависимости интенсивности изнашивания 1Н ТСП БШ¥Ш-212 от среднего давления qa для номинально плоского контакта и от нагрузки N на подшипник скольжения. Из графиков видно, что интенсивность изнашивания резко возрастает при превышении критического давления Чакр и критической нагрузки МКр в сопряжении, определяемых согласно (12)-(15). Анализ поверхностей трения образцов показал, что превышение критического давления ведет к выглаживанию поверхности покрытия, что свидетельствует о реализации пластического контакта в сопряжении;

Пятая глава посвящена разработке расчетно-зкспериментальных методик оценки физико-механических констант материалов покрытия и основания и определению состава материала покрытия, обладающего оптимальным комплексом триботехнических сеойств.

Расчетно-экспериментальные методики оценки физико-механических констант материалов покрытия и основания базируются на разработанной во второй главе модели контактного взаимодействия шарового сегмента и двухслойного полупространства и представленных в третьей главе методиках исследования и метрологическом обеспечении. Для обработки результатов контактных испытаний разработан пакет программ, позволяющих рассчитать упругую постоянную, характеристическую твердость и степень упрочнения материалов покрытия и основания, реологические коэффициенты у, 1, ш, сдвиговое сопротивление молекулярной связи при отсутствии нормальной нагрузки и коэффициент упрочнения молекулярной связи. Полученные значения физико-механических констант для различных составов материалов покрытий позволяют сравнительно оценить работоспособность узла трения с тем, или иным материалом покрытия, нанесенным в виде слоев различной толщины. Учитывая это разработана методика выбора состава, и толщины покрытия, обладающего оптимальным комплексом фрикционных свойств. Разработанные методики были внедрены на НПО им.Лавочкина для проведения триботехнических испытаний узлов трения космических летательных аппаратов.

ВЫВОДЫ

1. Решена задача о действии сосредоточенной силы на границу двухслойного упругого полупостранства. Получены выражения для оценки напряженно-деформированного состояния тела в произвольной точке двухслойной среды.

2. Теоретически исследованы характеристики упругого контакта сферической микронеровности и двухслойного полупространства. Для описания упругопластического деформирования материала покрытия предложено использовать функцию пластичности, разработана методи-" ка экспериментального определения вида этой функции.

3. Предложен критерий перехода от упругого деформирования материала покрытия к пластическому, получены зависимости "для оценки несущей способности фрикционного контакта с покрытием, в зависимости от характеристик микрогеометрии, толщины покрытия скорости скольжения и температуры.

4. Разработана расчетно-экспериментальная методика и соответствующее ей метрологическое обеспечение для прогнозирования изменения физико-механических свойств материалов покрытий на основе полимеров, в процессе_эксплуатации трибосопряжения. Построена феноменологическая температурно-временная модель физико-механических свойств материалов твердосмазочных покрытий на полимерном связующем, наполненном смесью графита с МоБг-

5. Разработана инженерная методика определения физико-механических констант материалов покрытий по результатам контактных испытаний, составлен пакет программ, реализующих расчеты по пред-лаг аемым методикам.

6. Разработана математическая модель расчета параметров контактного взаимодействия шероховатых поверхностей с покрытием.

7. Получены зависимости, позволяющие рассчитать основные фрикционные характеристики трибосопряжений с ТСП, в широком диапазоне скоростей скольжения и температур в зоне контакта. Экспериментально подтверждены расчетные соотношения для коэффициента трения и несущей способности узлов трения с ТСП.

8. Разработано оборудование для экспериментального исследования триботехнических характеристик подшипников скольжения с покрытиями (получено положительное решение комиссии НШГПЭ).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Сутягин О.В., Туманова 0.0. Прогнозирование реологических свойств твердосмазочных покрытий при повышенных температурах //Физика и механика композиционных материалов на основе полимеров: Тез.'докл. XIX науч.-техн. конференции молодых ученых и специалистов. 14-18 мая 1990 г.- Гомель, 1990. - С.110-111.

2. Сутягин 0.В., Туманова 0.0. Влияние температуры на физико-механические свойства антифрикционных полимерных покрытий // Применение полимерных материалов при ремонте и восстановлении деталей машин и оборудования: Тез. докл. науч.-техн. конф. 11-12 сентября 1990г.- Ижевск, 1990. - С.39-40.

3. Сутягин О.В., Туманова 0.0. Влияние скорости скольжения на коэффициент трения твердосмазочных покрытий // Износостойкость машин: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. конф. 23-25 апреля 1991г. - Брянск, 1991,- С.164.

4. Туманова 0.0.. Температурно-временная зависимость микротвердости твердосмазочнц^ покрытий // II науч. техн. конф. молодых ученых и специалистов ТвеПИ: Тез. докл. - Тверь, 1991. - С.36.

5. Сутягин О.В., Туманова 0.0. Исследование температурно-временной зависимости- микротвердости твердосмазочных покрытий //Физика и механика композиционных материалов на основе полимеров: Тез. докл. XX науч.- техн. школы - конф. 14-16 мая 1991г. - Гомель, 1991.' С. 17.

6. Сутягин О.В.,Туманова 0.0., Деменков Э.В. Защитное антифрикционное покрытие для резиновых уплотнений подвижных соединений //Триботехника - машиностроению: Тез. докл. V науч.- техн. конф. сентябрь 1991г. - М., 1991. С.164.

7. Сутягин О.В..Туманова 0.0., Деменков З.В. Исследование работоспособности защитных антифрикционных покрытий для резиновых уплотнений подвижных соединений // Теоретические и прикладные разработки молодых трибологов: Тез. дога, семинара-смотра "Трибо-лог-8М" 25-26 ноября 1991г.-Ростое,1991. - С.94-100.

8. Демкин Н.Б., Сутягин О.В., Туманова 0.0. Исследование уп-ругопластического деформирования низкомодульных покрытий // Трение И износ. - 1994.- Т.15.- N 2,- С.237-242.

9. Алексеев В.М., Туманова 0.0. Внедрение сферического ин-дентора в упругопластическое полупространство // Актуальные проблемы в трибологии: Тез. докл. симпоз. 1994г.- Самара, 1994. - С.З.

10. Демкин Н.Б., Алексеев В.М., Туманова 0.0. К разработке САПР узлов трения с покрытиями // Механика и физика фрикционного контакта: Межвузовский сборник научных трудов. - Тверь,. 1094.-С.21-26. • ' ,

Подписано в печать 03.06.96 Физ.печ.лЛ,25 Тираж 100 экз. Заказ № 62 Типография ТГТУ