Модель взаимодействия микронеровностей в присутствии адсорбционного слоя при упругом контакте поверхностей трения гидропривода СДМ

Обламский Н.Н., бакалавр

Научный руководитель – доцент, к.т.н Косолапов В.Б.

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Эксплуатация строительных и дорожных машин значительное время работы осуществляется вне установившихся режимов нагружения. Это приводит к повышению интенсивности износа трибосопряжений, следствием

чего является снижение показателей надежности машины, а точнее, снижение срока службы механизмов, в которых наблюдаются процессы трения.

Наиболее интенсивно процесс износа трибосопряжений развивается в граничном режиме смазки [2].

В соответствии с международным стандартом ISO 4378-3-1999 под граничной смазкой понимается такой вид смазки, которому не могут быть приписаны объемные вязкостные свойства и который определяется свойствами граничных слоев, возникающих при взаимодействии смазочного материала и поверхности трения в результате физической или химической адсорбции [1]

При контактировании граничные слои частично выдавливаются из зоны контакта и утончаются, при этом происходит сближение между поверхностями твердых тел [1].

Увеличение сближения вызывает возрастание площади фактического касания по адсорбционной пленке до тех пор, пока суммарная реакция по пленке не станет равной по величине и противоположной по направлению нормальной нагрузке. Если нагрузка превысит своё предельное значение, то происходит выдавливание адсорбционной пленки из зоны контактирования, что приводит к взаимодействию металлических поверхностей

микронеровностей. При этом площадь фактического контакта, включающая площадь по адсорбционной пленке и площадь металлического контакта, будет увеличиваться до тех пор, пока возникающие в зонах фактического контакта силы отталкивания не уравновесят внешние сжимающие силы.

Целью данной работы является оценка роли адсорбционной пленки ПАВ при упругом контакте поверхностей трения.

Задачами исследования являлось определение площадей контакта и нагрузок, приходящихся на адсорбционный слой и микронеровности при условии упругого контакта поверхностей трения в присутствии смазки в

зависимости от сближения поверхностей и радиуса кривизны микронеровностей на единичном микровыступе.

Согласно цели работы рассматриваем взаимодействие микронеровностей во второй зоне контактирования (рис. 1), когда в контакт вступают, как адсорбционная пленка ПАВ, так и упругодеформирующаяся микронеровность.

Рисунок 1 – Схема представления вершины микронеровности

Единичные микронеровности, в присутствии смазочного материала, моделируем сферическими сегментами. Схема их силового взаимодействия представлена на рис 2.

– контактное давление, – фактическая площадь контакта пленок, – радиус кривизны, соответственно первой и второй микронеровности, – толщина адсорбированной плёнки ПАВ на первой и второй микронеровности

Рисунок 2 – Схема взаимодействия микронеровностей

Расчётная модель контакта двух микронеровностей может быть приведена к контакту эквивалентной микронеровности с гладкой плоскостью [2, 3]. В этом случае применяем приведенные значения параметров шероховатости.

Суммарная контактная нагрузка, приходящаяся на единичный микровыступ, в условиях адсорбционной плёнки во второй зоне контактирования определяется выражением

, (1)

где – нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем во второй зоне контактирования;

– нормальная нагрузка при контактировании несмазанных микронеровностей.

Нормальную нагрузку при упругом контактировании несмазанных единичных микронеровностей можно определить на основании решения Герца [4]

, (2)

где – сближение контактирующих микронеровностей во второй зоне;

– приведенный радиус кривизны микронеровностей определяется из соотношения

, (3)

где – радиусы кривизны микронеровностей;

– эффективный модуль упругости сжимаемых микронеровностей определяется выражением

, (4)

где и – соответственно модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов контактирующих выступов обоих тел.

Для определения нагрузки, воспринимаемой адсорбционным слоем , в первом приближении, воспользуемся представлением об однородности полимолекулярного адсорбированного слоя, имеющего постоянные прочностные характеристики.

При этом для облегчения расчетов принимаем, что толщины адсорбированных слоёв ПАВ и радиусы кривизны на обеих

микронеровностях имеют одинаковую величину и . Величина сближения изменяется в пределах .

По данным работ [5, 6] упругая деформация смазочных слоёв происходит при давлении . При давлении происходит потеря полимолекулярным слоем упругости, что приводит к выдавливанию молекул из зоны контакта.

Эксперименты, проведенные А.С. Ахматовым [5], позволили установить, что толщина адсорбированных слоёв, в зависимости от вещества, из которого образуются эти слои, изменяется в пределах 0,05 – 0,1 мкм, а в некоторых случаях может достигать 1 мкм. Эти слои имеют вид квазикристаллических образований и обладают определенной несущей способностью, увеличивающейся по мере уплотнения слоя.

Исследования Л.В. Пановой механических свойств смазочных слоёв на поверхности металлов, проведенные методом "стопы", дали значения модуля сжатия ; модуля сдвига [6].

Используя приведенные значения, определим нагрузку, воспринимаемую адсорбционным слоем, расположенным в зоне единичного контакта микронеровностей, при условии, когда прочностные свойства по глубине адсорбционного слоя одинаковы [7]

, (5)

где – модуль упругости адсорбированного слоя ПАВ;

– площадь контакта пленок во второй зоне контактирования, определяется выражением

, (6)

где – толщина адсорбированной плёнки ПАВ.

Подставляя выражение (6) в (5), получим

. (7)

Таким образом, суммарная нагрузка, приходящаяся на единичный упругий контакт микронеровностей в зоне взаимодействия выступов определяется выражением

. (8)

Для расчетов принимаем толщину адсорбционной пленки мкм, приведенный радиус кривизны микронеровности рассчитываем по схеме, представленной на рис. 1, согласно которой

, (9)

где – средний шаг неровностей, мкм.[8].

По характерным классам чистоты поверхности гидропривода выбираем средний шаг неровностей , так для аксиально-поршневого насоса 210.225 гильзы блока цилиндров обработана по 8 классу чистоты, сфера сопряжения с распределителем по 10 классу чистоты, сфера сопряжения с блоком цилиндров распределителя обработана по 12 классу чистоты.

Результаты расчетов представлены на рис. 3, 4.

Оценку роли адсорбционной пленки проведем с помощью % сравнения между суммарной нагрузкой, приходящейся на единичный упругий контакт

микронеровности и нагрузкой, воспринимаемой адсорбционным слоем ПАВ

. (10)

Для расчетов принимаем следующие данные:

- толщина адсорбционной пленки, мкм;

- приведенный радиус кривизны микронеровности, мкм;

- сближение поверхностей, мкм;

- модуль упругости, Па;

- коэффициент Пуассона, .

Рисунок 3 – График зависимости нагрузки при металлическом контакте от сближения для различных радиусов кривизны микронеровностей

Рисунок 4 – График зависимости нагрузки, воспринимаемой адсорбционным слоем ПАВ от сближения для различных радиусов кривизны микронеровностей

Таким образом подставляя данные в формулу (10) получим

.

Из чего следует, что нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем ПАВ при условии упругого металлического контакта не играет ведущей роли в процессе перераспределения контактного давления.

Выводы

Характер взаимодействия поверхности сопряженных пар гидропривода определяется радиусом кривизны микронеровностей в контакте.

Нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем ПАВ при условии упругогометаллического контакта, значительно различается в зависимости от класса чистоты поверхности сопряженных пар гидропривода, но не играет существенной роли в процессе перераспределения контактного давления по микронеровности.

Литература

1. Войтов В.А. Конструктивная износостойкость узлов трения гидромашин. Часть II. Методология моделирования граничной смазки в гидромашинах. – Харьков: Центр Леся Курбаса, 1997. – 152 с.

2. Чичинадзе А.В., Хебда М. Справочник по смазочным материалам. Т.1. – Москва: Машиностроение, 1989. – 400 с.

3. Литвинов В.Н., Михин Н.М., Мышкин Н. К. Физико-химическая механика избирательного переноса при трении. – М: Наука, 1979. – 187 с.

4. Крагельский И. В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчета на трение и износ. – М: Машиностроение, 1977. – 525 с.

5. Дёмкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. – М: Наука, 1970. – 266 с.

6. Крагельский И. В. Трение и износ. – М.: Машиностроение, 1968. – 480 с.

7. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. – М: Физматгиз, 1963. – 472 с.

8. Сердобинцев Ю.П., Шаравин С.И. Трение и износ гетерогенных покрытий в условиях граничной смазки. Часть 2. Граничное трение при скольжении деталей с упрочняющими покрытиями // Трение и износ. – 1992. – Т.13. – №6. – С. 985–991.

9. Сопротивление материалов / Писаренко Г.С., Агарев В.А., Квитка А. Л., Попков В. Г., Уманский Э. С. – К.: Вища школа, 1986. – 775 с.

10. Хусу А.П., Витенберг Ю. Р., Пальмов В.А. Шероховатость поверхностей (теоретико-вероятностный поход). – М: Наука, 1975. – 344 с.

Дата добавления: 2015-07-16