автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Трибологические характеристики тяжелонагруженных опор скольжения, работающих в смешанных режимах смазки



' 1 бак России

(рсп.-.'тио от " " 9 £&Г., №

А ОХГггДт> л 1

- ' V.: .ч.лЬ ¡ЦО.гЛ I Г[:

Нач

нау:

- имя ьаК России

На правах рукописи

ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТ1

Специальность 05.02.04. "Трение и износ в машинах"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

(у-Ч

в

Научный консультант чл. корр. РАН

В.Л.Колмогоров

Екатеринбург 1998

Оглавление

Стр.

Основные обозначения.......................................................................................................................................................9

Введение.....................................................................................................................................................................................16

Глава 1. Смешанное трение и износ в тяжелонагруженном

трибосопряжении..................................................................................26

1.1. Основные предпосылки для математического описания смешанного трения.......................................................................................................................25

1.2. Краткий обзор работ по рубежным и переходным режимам между жидкостным и граничным трением.........................................................................26

1.3. Классификация режимов трения.......................................................................35

1.4. Постановка задачи по определению параметров смешанного трения.... 36

1.5. Взаимодействие жесткого треугольного выступа с жестко-пластичной поверхностью (литературный обзор)..................................................................................................................37

1.6. Выводы......................................................................................................................................................44

Глава 2. Математическая модель трения и изнашивания несмазанных

тяжелонагруженных контактов скольжения...........................................................46

2.1. Напряженно-деформированное состояние в поверхностном слое при взаимодействии жесткого треугольного клина с жестко-пластическим пол у п ростра нством........................................................................................................................................................................46

2.1.1. Напряженное состояние...........................................................................46

2.1.2. Деформированное состояние..............................................................................................................49

2.2. Оценка влияния температуры в контакте на свойства материалов в трибосопряжениях в пограничном слое........................................................................................................52

2.3. Разрушение поверхностного слоя трибоконтакта........................................................................54

2.3.1. Обзор теорий разрушения материалов...................................................54

2.3.1.1. Деформационные критерии...............................................57

2.3.1.2. Энергетические критерии.........................................................................59

2.3.2. Усталостная теория изнашивания .......................62

2.3 3. Теория износа расслаиванием.............................................................65

2.3.3.1. Влияние топографии поверхности на износ......................................66

2.3.3.2. Деформация поверхностного слоя....................................................................67

2.3.3.3. Зарождение трещины ............................................................................................................69

2.3.3.4. Распространение трещины.........................................................................70

2.3.3.5. Образование частицы износа ...................................................................................71

2.3.3.6. Динамика дислокаций и износ.......................................... 71

2.3.3.7. Влияние скорости скольжения......................................... 72

2.3.3.8. Влияние смазки на износ при трении скольжения.......... 72

2.3.3.9. Износ при комбинированной нагрузке............................. 73

2.4. Залечивание повреждений, возникающих при пластической деформации............................................................................................... 74

2.5. Модель разрушения материала в приповерхностном слое трибоконтакга скольжения......................................................................... 78

2.5.1. Представление моделирования процесса изнашивания на ПФК как разрушения поверхностного слоя вследствие накопления пластической деформации сдвига............................ 78

2.5.2. Условие минимизации износа при пластическом контакте......... 83

2.5.3. Количественные соотношения накопления и залечивания повреждений на участках пластической волны............................ 84

2.6. Взаимодействие жесткого шероховатого вала и мягкой втулки в радиальном подшипнике скольжения....................................................... 90

2.6.1. Постановка краевой задачи.......................................................... 90

2.6.2. Численное моделирование взаимодействия вала и втулки в радиальном подшипнике скольжения........................................... 91

2.6.3. Алгоритм расчета параметров подшипника скольжения............. 92

2.6.4. Результаты численного моделирования взаимодействия жесткого шероховатого вала с жестко-пластичной втулкой в подшипнике скольжения................................................................ 95

2.7. Расчет температурного поля в подшипниках скольжения....................... 96

2.7.1. Общие положения.......................................................................... 96

2.7.2. Общая постановка плоской нестационарной задачи теплопередачи и математическая модель расчета температурного поля..................................................................... 97

2.8. Проверка адекватности математической модели определения температурного поля в узлах скольжения................................................. 101

2.8.1. Методика замера температур поверхностей трения в шарошках при работе буровых долот на глубинах до 14 м........................... 101

2.8.2. Методика замера температур на поверхностях трения в шарошках буровых долот на глубинах 2-3-тыс. метров............... 101

2.8.3. Результаты замеров температур в исследуемых точках долота при бурении скважин в полевых условиях................................... 104

2.8.4. Моделирование температурного поля подшипниковой опоры 105 шарошки долота в зависимости от материалов и режимов работы долота................................................................................

2.9. Выводы....................................................................................................... 110

Глава 3. Течение смазки между шероховатыми поверхностями в зоне

трения скольжения.............................................................................. 111

3.1. Течение смазки между поверхностями в смешанном режиме трения с гидродинамической составляющей........................................................... 111

3.2. Построение математической модели течения смазки в пограничном слое трибосопряжения на примере радиального подшипника скольжения................................................................................................. 112

3.2.1. Постановка задачи....................................................................................................112

3.2.2. Ограничения......................................................................................................................................................................113

3.2.3. Математическая модель течения смазки между шероховатыми поверхностями в подшипнике скольжения................................................115

3.2.4. Область применимости и принятые упрощения....................................................120

3.3. Определяющие соотношения, входящие в уравнения математической

модели ......................................................................................................................................................................................121

3.3.1. Модели проницаемости....................................................................................................................121

3 3.2. Связь между параметрами шероховатости поверхностей

трения и проницаемостью пограничного слоя трибосоряжения.. 126

3.3.3. Экспериментальное определение проницаемости стыка шероховатых поверхностей......................................................................................................................132

3.3.4. Вязкость. Зависимость вязкости смазок от давления....................................137

3.3.5. Зависимость вязкости смазок от температуры........................................................142

3.3.6. Зависимость вязкости от температуры и давления..........................................144

3.3.7. Зависимость вязкости от температуры некоторых расплавленных металлов............................................................................................................................146

3.3.8. Коэффициент теплопроводности к, удельная теплоемкость с и мощность внутренних источников тепла О....................................................................149

3.4. Программное обеспечение математической модели..............................................................153

3.5. Выводы.........................................................................................................................154

Глава 4. Краевые задачи и задачи с начальными условиями смешанного

трения в тяжелонагруженных трибосопряжениях скольжения...........155

4.1. Существование и единственность решения задач течения смазки в пористом пограничном слое с начальными условиями и краевых задач............................................................................................. 156

4.1.1. Задачи Коши.................................................................................. 156

4.1.2. Краевые задачи для дифференциальных уравнений второго порядка с одной независимой переменной.................................. 158

4.1.3. Краевые.задачи.для.уравнений.с.частными.производными.эллиптического.типа......................................................................159

4.1.4. Задачи Дирихле и смешанные для эллиптических уравнений ... 160

4.1.5. Задачи Неймана............................................................................ 161

4.1.6. Краевые задачи параболического типа........................................ 162

4.2. Учет дополнительного сопротивления течению смазки в пористой среде при решении прикладных задач..................................................... 162

4.3. Коэффициенты проницаемости. Связь между проницаемостью и параметрами шероховатости поверхностей в трибосопряжениях при решении некоторых прикладных задач..................................................... 164

4.4. Расчет параметров трения скольжения в присутствии смазки между плоскими шероховатыми поверхностями при учете гидростатической составляющей............................................................................................. 166

4.4.1. Постановка задачи......................................................................... 167

4.4.2. Ограничения................................................................................... 168

4.5. Одномерное течение смазки, подаваемой под давлением, между двумя плоскими шероховатыми прямоугольными пластинами ................................................................. 168

4.5.1. Течение смазки с постоянной вязкостью..................................... 169

4.5.2. Пример расчета давления в слое смазки при постоянной вязкости p=consi............................................................................ 173

4.5.3. Течение смазки при вязкости, зависящей от давления ц=ц(р) 176

4.5.4. Пример расчета давления в слое смазки при вязкости, зависящей от давления ц=ц(р)................................................178

4.5.5. Распределение давления смазки в зоне трения при вязкости, зависящей от температуры и давленияц=ц(р,Т)....................... 180

4.5.6. Пример расчета давления смазки в зоне трения при ц=ц(р,Т)... 181

4.6. Стационарная краевая задача плоского течения смазки с вязкостью, зависящей от температуры и давления.................................................... 182

4.7. Пример решения краевой задачи при плоском течении смазки с вязкостью, зависящей от температуры и давления................................. 184

4.8. Гидростатическая составляющая реакции слоя смазки между ПФК. Деформационная и гидростатическая составляющая силы трения........ 186

4.9. Износ в трибосопряжениях с шероховатыми поверхностями при наличии смазки.......................................................................................... 188

4.10. Течение смазки между шероховатыми поверхностями плоского цилиндрического подпятника скольжения (упорного подшипника скольжения) с центральной камерой......................................................... 190

4.10.1. Постановка задачи........................................................................ 190

4.10.2. Ограничения.................................................................................. 192

4.10.3. Алгоритм решения задачи............................................................ 192

4.10.4. Момент трения между пятой и подпятником в смешанном режиме........................................................................................... 197

4.10.5. Пример расчета момента трения между пятой и подпятником с центральной камерой..................................................................... 199

4.10.6. Коэффициенты трения между пятой и подпятником.................... 205

4.10.7. Работа сил трения и интенсивность изнашивания на круговом подпятнике...................................................................................... 206

4.11. Выводы........................................................................................................ 207

Глава 5. Краевые задачи смешанного трения с гидродинамической

составляющей в стационарной и нестационарной постановке......... 208

5.1. Постановка краевой задачи течения смазки в радиальном подшипнике скольжения при смешанном трении с гидродинамической составляющей............................................................................................ 208

5.2. Математическая модель............................................................................ 209

5.2.1. Основные уравнения модели................................................................................................................209

5.2.2. Алгоритм расчета момента трения между валом и втулкой................212

5.2.3. Интенсивность изнашивания................................................................................................................213

5.3. Пример решения краевой задачи..................................................................................................................213

5.4 Постановка краевой задачи смешанного трения в упорном подшипнике 217 скольжения (круговом подпятнике).

5.5. О границах зоны смешанного трения при качении цилиндра по плоскости.................................................................................................... 218

5.5.1. Постановка задачи..............................................................................218

5.5.2. Алгоритм определения границ зоны трения................................................................220

5.5.3. Пример решения задачи..............................................................................................................................224

5.5.4. Обсуждение результатов и выводы............................................................................................225

5.6. Нестационарный режим смешанного трения.................................................................226

5.6.1. Постановка задачи и алгоритм решения...................................... 226

5.6.2. Пример решения нестационарной задачи.................................... 231

5.6.3. Выводы........................................................................................... 234

5.7. Общие выводы........................................................................................... 234

Глава 6. Экспериментальная проверка адекватности математической модели смешанного трения скольжения и разработка путей снижения износа....................................................................................236

6.1. Проверка адекватности модели в лабораторных и производственных

условиях. 236

6.1.1. Исследования в лабораторных условиях ................................. 237

6.1.2. Исследования в производственных условиях на обжимных прокатных станах............................................................................ 244

6.2. Сравнение результатов расчетов коэффициентов трения и 246 интенсивностей изнашивания по предлагаемой модели с результатами расчетов других авторов.

6.3. Исследование износостойкости тяжелонагруженных подшипников при использовании некоторых современных методов упрочнения поверхностей (на примере подшипников шарошечных буровых долот). 248 6.3.1. Влияние ионного имплантирования долотных сталей на их

износостойкость............................................................................. 248

6.3.2. Влияние нанесения алмазного покрытия элементов подшипников на их износостойкость............................................ 249

6.3.3. Некоторые другие методы повышения износостойкости трибосопряжений 250

6.4. Разработка технологии нанесения медных покрытий на одну из поверхностей трения.................................................................................. 255

6.4.1. Подбор составов электролитов для меднения легированных сталей............................................................................................. 255

6.4.2. Подготовка поверхностей трения перед нанесением покрытий .. 256

6.4.3. Отработка режимов для нанесения медных покрытий на долотные стали 17ХНЗМА и 20ХНЗА............................................ 256

6.5. Влияние химико-термической обработки на структуру и твердость долотных сталей........................................................................................ 261

6.5.1. Традиционная обработка долотных сталей.................................. 261

6.5.2. Материал и методика исследования............................................ 263

6.5.3. Результаты исследования и их оценка......................................... 264

6.5.4. Выбор места для операции меднения в технологическом цикле термической обработки долотной стали...................................... 268

6.6. Влияние медного покрытия на износ трибосопряжения.......................... 269

6.7. Разработка подшипника скольжения, работающего в широком интервале температур и нагрузок............................................................. 271

6.7.1. Смазка расплавом при трении скольжения................................... 271

6.7.2. Принцип работы подшипника........................................................ 272

6.7.3. Стадии работы подшипника.......................................................... 273

6.8. Испытания модели подшипника в лабораторных условиях..................... 277

6.8.1. Цель испытаний............................................................................. 277

6.8.2. Техническая характеристика модели (макета) подшипника........ 277

6.8.3. Методика проведения эксперимента............................................ 279

6.9. Результаты испытаний подшипника.......................................................... 282

6.9.1. Термомеханические параметры................................................... 282

6.9.2. Химический состав противозадирной пленки.............................. 289

6.10. Общие выводы........................................................................................... 294

Глава 7. Роль смазки в снижении трения и износа......................................................................................296

7.1. Общие замечания..............................................................................................................................................................296

7.2. Смазка как объект управления в процессах трения и изнашивания..............297

7.3. Разработка и испытание металлоплакирующих смазок для тяжелонагруженных трибосопряжений..........................................................................................................300

7.3.1. Предварительные полевые испытания металлоплакирующей смазки с присадкой МКФ-18У...........................................................300

7.3.2. Составы смазок для буровых долот........................................................................................301

7.3.3. Методика проведения испытаний................................................................................................302

7.3.3.1. Определение коэффициента трения............................................302

7.3.3.2. Определение нагрузки задира.........................:............................