Вплив динамічного навантаження на процеси в контактах трибосполучень.

Будь-яка АНТ складається з окремих з’єднань та вузлів тому її несправність – це не­справність окремих з’єднань та вузлів, які, до речі, можуть бути рухомими і нерухомими. При цьому довговічність техніки здебільшого визначається справністю саме рухомих з’єднань. Несправність з’єднання виявляється в порушенні зазорів, що задаються конструктивною схемою, у рухомих з’єднаннях, і натягів – у нерухомих. Порушення посадки зумовлене змінами розміру і форми деталей трибосполучень. Ці зміни є продуктом спрацювання деталей, які у про­цесі роботи АНТ безперервно зростають. Крім спра­цювань деталей, розрізняють й інші дефекти, що можна розділити на дві групи:

· природні дефекти і спрацювання - повільно наростають і є результатом роботи сил тертя, впливу високих температур та інших факторів за нормальних умов роботи АНТ;

· аварійні дефекти і спрацювання - швидко наростають і при­зводять до аварійної ситуації, є результатом неправильного до­гляду або браку виробництва.

Однак, природне спрацювання вузлів тертя є неминучим, оскільки воно прямо пропорційне тривалості експлуатації. Наростання спрацювань допус­кається лише до певної межі, поки забезпечується нормальна робота техніки. У подальшому збільшення спрацювань призводить до пе­реростання його з природного в аварійне, під час якого нормальна робота АНТ неможлива.

На Рис. 1.2.1 показано характер нарощування спрацювань вузлів АНТ в залежності від часу їх роботи.

Рис. 1.2.1. Характер нарощування спрацювань в трибосполученнях [24]

Оцінивши графік, можна зробити висновок, що існує 3 ступеня спрацювання пар тертя АНТ, а саме:

· період припрацювання. Фіксується перехід від ви­хідного стану поверхні деталі до робочого стану. У цей період швидкість спрацювання спочатку велика, потім поступо­во зменшуючись, наближаючись до постійної величини, що є харак­терним фактором для другого періоду;

· нормальне спрацювання. Умови тертя і швидкість спрацювання постійні. Процеси, що протікають під час даного ступеняє нормальними й природніми;

· період посиленого (аварійного) спрацювання. Швид­кість руйнування деталей безперервно зростає. У цей період пору­шується нормальна робота АНТ. У разі досягнення третього періоду спрацьовані деталі підлягають негайному ремонту або заміні.

Отже, природне спрацювання є результатом роботи сил тертя, що виникають під час контакту двох поверхонь.

За характером відносного руху розрізняють тертя ковзання
і тертя кочення. Іноді обидва види тертя проявляються спільно, коли
кочення супроводжується проковзуванням, наприклад, в зубчастих і зуб-
чато-гвинтових передачах або між колесами і рейками.

Залежно від того, чи є відносне переміщення пар тертя макро- або мікрозмішуванням, розрізняють силу тертя руху, неповну силу тертя спокою і найбільшу силу тертя спокою. Сила тертя руху – це сила опору при відносному переміщенні одного тіла по поверхні іншого під дією третьої сили. Найбільша сила тертя спокою - сила граничного опору до відносного переміщення дотичних тіл без порушення зв'язку між ними і при відсутності зсуву в місці контакту. Неповна сила тертя спокою - сила опору, спрямована проти зусиль зсуву, при відсутності зміщення в місці контакту. Вона змінюється від нуля до максимального значення, коли вона переходить в силу тертя спокою.

Залежно від наявності мастильного матеріалу розрізняють тертя без та з мастильним матеріалом.

Для трибологічної системи характерним є динамізм перетворення поверхневих шарів, а також те, що в залежності від заданих параметрів процеси можуть сполучатися у будь-якому з відомих видів зношування або проходити по змішаній схемі. На основі аналізу [27, 28, 29, 30, 31] зношування можна уявити у вигляді характерних зон, зображених на рис. 1.2.2.

Рис. 1.2.2. Структура поверхневих шарів під час корозійно-механічного зношування [18]

I зона – зовнішні некристалічні шари, що включають в себе плівку забруднень, товщиною до 300 Å (1 шар), адсорбційну молекулярну плівку рідини й газу товщиною до 30 Å (2 шар) та 3 шар – плівку окислів до 10⁴Å.

ІІ зона – приповерхневі шари (4), що виникають як результат механохімічної дії та мають товщину до 10⁴Å. Вони складаються з мікроопор (5) та плавно переходять в початкову структуру твердого тіла (6).

В процесі функціонування дані шари безперервно утворюються, руйнуються та поновлюються за наявності динамічної рівноваги процесів активації та пасивації в умовах реалізації явища структурної пристосованості матеріалів для заданих режимів тертя [32].

В активних шарах фрикційних поверхонь в залежності від енергії, що виділяється під час тертя, відбуваються наступні процеси:

· дифузія;

· рекристалізація;

· поліморфні перетворення;

· пластична деформація;

· розчинення та виділення надлишкових фаз тощо.

На характер взаємодії поверхонь тертя значно впливає швидкість нагріву та охолодження зон локального контакту, що досягають високих значень (10…10⁴ °С/с и 10³…10⁴ °С/с відповідно).

Поняття про динаміку процесів, що протікають під час сухого тертя, включає в себе не тільки зміну властивостей та структури мікробємів ММ, але й зміну самого процесу тертя за рахунок накопичення залишкових змін структури і фізико-механічних властивостей мастила. Цей процес може змінити стан поверхневого шару фрикційного матеріалу та його зносостійкість.

Внаслідок теплопровідності фрикційних поверхонь теплота, виділеня під час тертя, розподіляється на кілька теплові потоки, направлених всередину кожної із діючих деталей. Таким чином, тертя супроводжується процесами розподілення теплоти.

За словами В. А. Зоріна закономірність зміни середньої температури поверхні тертя можна визначити за допомогою закону збереження енергії, що в даному випадку звучить так: «Кількість теплоти Ф_Т d τ, що виділяється в результаті взаємодії поверхонь за одиницю часу d τ. Ця теплота витрачається на нагрів деталі та навколишнього середовища. В такому випадку рівняння теплового балансу буде мати такий вигляд:

Ф_Т в τ = С d τ + Atd τ,

Ф_Т = Q/τ –тепловий потік, Вт (Q – кількість теплоти, Дж;τ – час нагріву вузла,с);

С – загальна теплоємність деталі, Дж/К;

А – тепловий потік зі всієї поверхні охолодження деталі при зміні температури на 1К, Вт/К;

t – температура робочої поверхні деталі, ^ͦ С.» [39]

Як зазначує автор [41] тертя не є результатом нормальних процесів що проходять у зоні контакту двох поверхонь та виникають внаслідок комбінації таких параметрів, як швидкість ковзання, значень нормального навантаження та фрикційного вектору параметрів (умов навколишнього середовища, температури, шорсткості тощо).

До відхилення від нормального процесу тертя можуть призвести:

· механічні напруги;

· теплове перевантаження;

· зміна концентрації компонентів навколишнього серидовеща [42].

За останні роки вчені досягли значного успіху в трибологічній галузі, та все ж у праці [43] зазначається, що на сьогоднішнії день неможливо визначити тривалість роботоспроможності конструкції на основі одних лише умов навантаження. Також залишається неможливим створення оптимального матеріалу з відповідною міцністю для виготовлення деталей, що встаовлюються в зонах граничного тертя. у зв’язку з цим виникає необхідність отримання експерементальних результатів досліджень, повязаних з критеріямиефективного тертя та зношування.

Однією з основних експериментальних моделей зовнішнього тертя є залежність коефіцієнту тертя від нормального тиску (Рис 1.2.3). Коефіцієнт тертя встановлює пропорційність між силою тертя і силою нормального тиску, що притискає тіло до опори. Коефіцієнт тертя є сукупною характеристикою пари фрикційних матеріалів і не залежить від площі зіткнення тіл [44].

Рис. 1.2.3. Залежність коефіцієнту статичного тертя від нормального тиску по Харді [45]

1 – плаский зразок, 2 – сферичних зразок, 3 – умови високих тисків

 

Аналізуючи Рис 1.2.3, можна зробити висновок, що під час зміни навантажень на вузол тертя, при помірних навантаженнях дотримується закон Амонтона [46] про незалежність коефіцієнта тертя від навантаження (відрізок ВС). В умовах низьких навантажень (< 0,1 Н) коефіцієнт тертя, навпаки, зростає внаслідок збільшення адгезійної складової коефіцієнта тертя (відрізок АВ). У разі високих навантажень, внаслідок яких виникає пластична деформація пар тертя різко зростає. Якщо даний експеримент проводити на високих швидкостях, то можна зафіксувати зростання навантаження, що призведе до збільшення контактної температури, руйнування мастильного шару та задиру (відрізок CD).

Існує два типи залежності коефіцієнта тертя (далі – f) від швидкості ковзання контактуючих тіл (далі – v) в умовах граничного тертя:

1) використання нафтових олив – характеризується зниженням f при збільшенні v. З урахуванням таких умов у трибосистемі можуть виникнути релаксаційні коливання. І. В. Крагельський [21] пояснив це явище зменшенням фрикційної взаємодіїзі зростанням швидкості, і, відповідно, зі зменшенням площі дотику твердих тіл, що просто не втигає «підлаштуватися»/

2) використання жирних кислот та їх похідних – f зростає зі збільшенням v в діапазоні малих швидкостей, що пояснюється появою реологічних властивостей мастильного шару.

Дана залежність показана на Рис. 1.2.4.

Рис. 1.2.4. Залежність коефіцієнта тертя f від швидкості ковзання v

1 – для нафтових мастил, 2 – для нафтових мастил з присадкою жирних кислот (ПАВ).