EFFECT OF DYNAMIC LOADING PARAMETERS WHEN VIBRATING TO EQUIVALENT stress AND WEAR SPEED IN SLIDING CONTACT

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Среди многочисленных факторов влияния на интенсивность фреттинг-износа металлов и сплавов наибольшее влияние оказывают параметры внешних механических воздействий: контактное давление, амплитуда и частота осцилляций на контакте. Обобщение результатов исследований отечественных и зарубежных авторов [1] показало, что определение роли перечисленных факторов в механизме разрушения контактирующих при фреттинге поверхностей не завершено. Накопленный к настоящему времени обширный теоретический и экспериментальный материал в области механики контактных взаимодействий [1, 2] позволяет проводить расчеты фактической площади контакта (ФПК), объема вовлеченного в контактную деформацию материала, напряжений и других характеристик структуры ФПК номинально неподвижных шероховатых поверхностей при различных видах деформации микронеровностей: упругой, пластической, упруго-пластической. Установленные расчетные зависимости не учитывают влияния скорости скольжения в контакте, что сдерживает распространение их на случаи расчета эквивалентных напряжений и скорости износа при совместном действии нормальных и тангенциальных сил на вовлеченный в контактную деформацию микрообъем материала. В настоящей работе приведены результаты расчетной и экспериментальной оценки влияния внешних механических факторов (нагрузки, амплитуды и частоты колебаний) на эквивалентные напряжения в скользящем контакте и скорость линейного износа с целью уточнения предложенной автором [3, 4] обобщенной кинетической термофлуктуационной модели изнашивания при трении: (1) или в условиях ведущей роли «атермического» механизма износа при , (2) где - скорость линейного износа, м/с ;= 0,10,2 - относительное удлинение, при котором межатомная связь теряет устойчивость и разрывается; С - атомная (молярная) теплоемкость, Дж/°К, для одноатомных кристаллов С3k, где k =1,38×10-23, Дж/°К - постоянная Больцмана; - коэффициент термического линейного расширения, ; h= 6,626×10-34 Дж/Гц - постоянная Планка; Т - термодинамическая температура, °К; - номинальная площадь поверхности трения, м2; l - число фрикционных связей (опорных точек) на поверхности трения; - разрывное напряжение, H/м2; sэкв - эквивалентное напряжение на поверхности скользящего контакта, Н/м2. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЛОСКОМ СКОЛЬЗЯЩЕМ КОНТАКТЕ При сближении под действием нормальной нагрузки двух шероховатых поверхностей формируется ФПК, равная сумме элементарных площадок контакта, возникающих при деформации отдельных микронеровностей. В прилегающей к ФПК области при взаимном внедрении шероховатостей в поверхности двух тел образуется некоторый микрообъем материала, который вовлекается в контактную деформацию. Среднее касательное напряжение на ФПК найдем, определив полную механическую энергию сдвига этого микрообъема, при следующих допущениях: весь внедренный микрообъем материала деформируется одновременно; сдвиг микрообъема происходит в плоскости, параллельной плоскости трения; деформация осуществляется в области упругости и на границе упругости, при достижении текучести материала рост нагрузки не вызывает значительных изменений напряжения; увеличением ФПК при сдвиге пренебрегаем. Последнее связано с тем, что даже при пластическом контакте приложение тангенциальных сил к сопряжению приводит к увеличению ФПК не более чем на 5% [2]. Пусть элементарный микрообъем (рис. 1) в виде кубика находится в условиях сдвига [6]. Величина сдвига грани CD равна СС1= DD1= Угол сдвига - Так как упругие деформации и деформации в области перехода к текучести материала малы, то можно принять (3) где a - расстояние между гранями кубика. Рис. 1. Иллюстрация сдвига Обозначим площадь грани, по которой действуют касательные напряжения, Ar, а усилие, действующее вдоль этой грани, представим, используя принцип независимости действия сил, двумя векторами .Усилие - квазистатическое, постепенно возрастая от нуля до конечного значения вызывает сдвиг на величину . Усилие - динамическое, под действием которого общий центр масс выделенного элемента на участке перемещения приобретает скорость , а грань CD сдвигается на величину . Из геометрических соображений (рис. 1) получим: , (4) где , .(5) Касательные напряжения сдвига определятся [6] как , , (6) где G - модуль сдвига. С другой стороны = , / (7) Решая совместно (5), (6), (7), получим: =; ( 8) Полная механическая энергия сдвига W = (9) Потенциальную энергию сдвига представим как работу силы на пути перемещения . Эта работа выражается [6] площадью треугольника (рис. 1) (10) Подставляя в (10) из равенства (8), получим . (11) Умножив и поделив выражение (11) на величину площади грани, по которой действуют касательные напряжения и, приняв во внимание (7), найдем значение потенциальной энергии сдвига в виде: = G , (12) где - вовлеченный в контактную деформацию микрообъем материала, а напряжение . (13) Кинетическая энергия сдвига определится из выражения /2, (14) где m - масса деформируемого объема материала, -скорость деформации. Полагая , получим , или , (15) где V =t - скорость сдвига в плоскости трения. Подставляя в уравнение (15) из равенства (8), найдем (16) но , а , где - ускорение, тогда . (17) Умножив и поделив выражение (17) на получим , (18) а напряжение . (19) Складывая (13) и (19), получим полное касательное напряжение при сдвиге . (20) Подставляя в уравнение (20) выражения (10) и (15) потенциальной и кинетической энергии сдвига, найдем . (21) Положив в выражении (21) m= где - плотность материала; =N, где N - нормальная нагрузка, - коэффициент трения; значение из равенства (8) и сделав некоторые преобразования, получим выражение для касательного напряжения в виде: , (22) где - фактическое нормальное давление в контакте. В условиях возвратно-поступательного или вибрационного трения максимальная скорость скольжения V2 , где А - амплитуда, f - частота осцилляции в контакте, а напряжение сдвига 2. (23) Из анализа напряженного состояния материала на скользящем контакте авторы работы [2] установили, что эквивалентное напряжение определится как , (24) где - коэффициент, зависящий от принятой гипотезы прочности. При использовании гипотезы наибольших нормальных или касательных напряжений =3, а эквивалентное напряжение в области фактического контакта определится как =32). (25) Выражения (22) и (23) предсказывают линейную зависимость касательного напряжения от нагрузки и скорости (амплитуды и частоты) относительного проскальзывания в контакте. Зависимость влияния каждого из слагаемых формулы (23) оценим расчетным путем в условиях вибрационного трения (фреттинга) одноименной контактной пары из сплава ВТ9 при следующих данных: N=300 Н, Ar= 0,357 , где Е= 1,1 - модуль упругости материала, А = 15 (26) Как следует из расчета, такая модель дает качественно правильное представление о связи напряжения с параметрами динамического нагружения. При умеренных скоростях скольжения (амплитуде и частоте) вторым слагаемым в выражениях (22) и (23) можно пренебречь вследствие его малости (1%) по сравнению с первым слагаемым. При высоких и сверхвысоких скоростях скольжения влияние второго слагаемого может стать заметным, что проявлялось в росте скорости изнашивания [1, 2], при одновременном снижении коэффициента трения. Как показала практика оценки скорости износа образцов при лабораторных, стендовых испытаниях и в условиях эксплуатации [4, 5] при малых и средних нагрузках пластическая деформация (течение материала) возникает на вершинах микронеровностей, а среднее фактическое давление на контакте достигает , где - напряжение текучести материала. При увеличении внедрения микронеровностей с повышением фактического давления пластическая деформация распространяется на весь контакт, а , где по А.Ю. Ишлинскому [2]. При многократном возвратно-поступательном взаимодействии микронеровностей наблюдается тенденция к вырождению пластического контакта в упругий. Фактическое нормальное давление на контакте, соответствующее переходу от пластического к упругому деформированию, определится по зависимости И.А. Вяткина [2] , (27) где величина , уточнённая Е.Ф. Непомнящим, определяется по формуле =1,5 , (28) где - коэффициент Пуассона. Расчет скорости износа различных металлов и сплавов с учетом выражений (27 и 28), то есть в предположении упруго-пластического контакта при фреттинге, показал хорошее приближение расчетных и экспериментальных данных [4, 5]. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ Лабораторные испытания с целью исследования влияния факторов динамического нагружения (нагрузки, частоты и амплитуды колебаний) на скорость износа образцов из титанового сплава ВТ9 в условиях фреттинга проводились на специально разработанном стенде [4, 5], позволяющем варьировать рабочие параметры нагружения в условиях многокомпонентной вибрации. Испытывались плоские пары одноименных образцов по двухопорной схеме [5] c общей номинальной площадью контакта Рабочие поверхности образцов изготавливались фрезерованием и притиркой на плите с алмазной пастой до получения шероховатости 0,4…0,8 мкм по ГОСТ 2789-73. Нормальное нагружение в контакте осуществлялось грузом, действующим через систему рычагов и гибкую тягу на верхний подвижный образец. Осцилирующие движения подвижного образца в горизонтальной плоскости, в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, и пульсирующая нормальная нагрузка в контакте создавались тремя вибраторами электродинамического типа (ВЭД), мощность каждого из которых 200 Вт и тяговое усилие - 200 H. Возбуждение ВЭД осуществлялось генератором ГЗ-34 и усилителем ТУ-600.Частота контролировалась частотомером-хронометром Ф5080. Амплитуды колебаний в двух взаимно-перпендикулярных направлениях измерялись датчиками емкостного типа в комплекте с виброизмерительным прибором ВВ-IOH. Параметры внешних воздействий при испытаниях изменялись в следующих пределах: частота колебаний - 30…310 Гц; среднегеометрическая амплитуда 3,5…30 мкм, при которой на контакте реализуются присущие фреттингу процессы [1]; контактное давление 1…15 МПа; объемная температура - 293 Испытания проводились при одно- или многокомпонентной вибрации без смазки, с возбуждением колебаний вибраторов в одной фазе. Переменную составляющую контактного давления в стыке задавали в виде периодической функции а результирующее нормальное давление определяли как сумму q= (29) где = (1.0…11) МПа - диапазон значений статистического давления, создаваемого весом груза; (3,0…5,0) МПа - диапазон значений переменной составляющей давления в контакте. Величину износа неподвижного образца (контробразца) определяли как среднюю арифметическую величин линейных износов дорожки трения, профиль которой записывался профилографом-профилометром ВИ-201. Результаты исследования влияния параметров динамического нагружения (нагрузки, частоты и амплитуды колебаний) на скорость износа сплава ВТ9 приведены на рис. 2. Рис. 2. Зависимость скорости линейного износа сплава ВТ9: (A) - от амплитуды (); - от давления (A = 0,015 мм,); (f) - от частоты (A=0,015 мм,); = 3 МПа, Т=293°K Установленная функциональная связь напряжения с параметрами динамического нагружения (23, 26) в условиях фреттинга сплава ВТ9 подтверждается экспериментально (рис.2) через скорость износа, пропорциональную действующим на контакте напряжениям. Скорость линейного износа сплава в установившемся режиме фреттинга слабо возрастает с ростом частоты (скорости) осцилляции, более интенсивно с ростом нормального давления. Влияние амплитуды осцилляции неоднозначно. Увеличение амплитуды приводит к росту скорости относительно проскальзывания, перекрытия на пятнах фактического контакта, активируемого объема материала, увеличению пути трения и смене характера контактного взаимодействия (от номинально неподвижного при фреттинге до трения скольжения) и изнашивания [1], что, очевидно, и ведет к резкому повышению скорости линейного износа. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Установлена математическая связь и оценен уровень влияния параметров внешних механических воздействий при вибрационном трении (фреттинге) на величину эквивалентных напряжений на площадках фактического контакта при одновременном действии нормальных и касательных напряжений. Экспериментально исследовано влияние внешних факторов динамического нагружения (нагрузки, частоты и амплитуды колебаний) на скорость линейного износа поверхностей трения образцов из титанового сплава ВТ9. Установленная математически функциональная связь напряжения с параметрами динамического нагружения подтверждена экспериментально через скорость линейного износа, пропорциональную действующим в скользящем контакте напряжениям, что подтверждает правомерность использования выражения для расчета эквивалентного напряжения в расчетной термофлуктуационной модели скорости изнашивания.

About the authors

Anatoly Gavrilovich Kovshov

Samara State Technical University

Email: k.ntm@mail.ru
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department «Technology of Mechanical Engineering, Machines and Tools»

References

Supplementary files