Исследование влияния канавок со смазочным материалом сферической поверхности скольжения на напряженное состояние контактного узла

Рассмотрим задачу контакта, учитывающую канавки со смазочным материалом на сферической поверхности скольжения контактного узла опорной части с шаровым сегментом (рис. 3.12.), а так же влияние канавок и параметров смазочного материала на напряженное состояние конструкции [50]. Задача рассматривается в рамках математической постановки, приведенной ранее.

На задачу накладываются кинематические граничные условия (3.4) – (3.5), описанные в пункте 1 текущей главы.

На сферической поверхности скольжения в конструкции опорной части предусмотрены канавки со смазочным материалом, как показано на рис. 3.12. В первом приближении, учитывается малость деформаций в контактном узле, свойства смазочного материала приняты упругими с коэффициентом Пуассона, соответствующим слабой сжимаемости, и относительно низким модулем сдвига. Задача реализуется в осесимметричной постановке, размеры элементов в прослойке и верхних и нижних плитах одинаковые, количество элементов по толщине прослойки равно 8, коэффициент трения на поверхности контакта плиты со смазочным материалом такой же, как у контакта полимер-сталь (по данным ООО «АльфаТех»).

Влияние коэффициента Пуассона смазочного материала канавок в антифрикционной прослойке на относительное контактное давление (отнесено к прикладываемой нагрузке) показано на рис. 3.13. Рассмотрены следующие значения коэффициента Пуассона: 0,48; 0,49;0,4999; 0,49999 и 0,4999999 – модуль Юнга в данном случае равен Па. Так же рассмотрено влияние модуля Юнга смазочного материала канавок в антифрикционной прослойке на относительное контактное давление . Рассмотрены два значения модуля Юнга Па и Па, результаты представлены на рис. 3.14. для коэффициента Пуассона .

Заметно уточнение относительных контактных давлений при уменьшении коэффициента Пуассона (коэффициент Пуассона приближается к 0,5 – смазочный материал несжимаем). Относительное контактное давление для модели, учитывающей канавки со смазочным материалом, колеблется около графика относительного контактного давления, соответствующего модели без учета канавок. Из результатов, приведенных на рис. 3.14., можно сделать вывод о малом влиянии значения модуля Юнга на относительное контактное давление. Средняя полиномиальная кривая относительного контактного давления близка к решению, полученному для модели, не учитывающей канавки со смазочным материалом.

На рис. 3.15. и 3.16. показано влияние коэффициента Пуассона и модуля Юнга на относительное контактное касательное напряжение (отнесено к прикладываемой нагрузке МПа) соответственно. Коэффициент Пуассона и модуль Юнга изменяются в ранее упомянутых пределах. В связи с большим разбросом значений решения, учитывающего канавки со смазочным материалом, на рис. 3.15.-3.16. приведены средние полиномиальные кривые относительного контактного касательного напряжения. Осреднение данных относительного контактного касательного напряжения, полученных из решения задачи, потребовалось в связи с их большим разбросом, что связанно с постоянным переходом контакта типа сталь-полимер и сталь-смазка. Аппроксимация относительных контактных касательных напряжений проводилась в программном комплексе Matlab методом наименьших квадратов при помощи кубического сплайна. В центре и с краю средние полиномиальные относительные контактные касательные напряжения не равны 0, что связанно с осреднением результатов полиномом. Для модели учитывающей канавки со смазочным материалом относительные контактные касательные напряжения колеблются около графика относительного контактного касательного напряжения, соответствующего модели без учета канавок. Данные колебания более заметны (рис. 3.17.), в центре и с краю относительные контактные касательные напряжения близки к 0.

Аналогично относительному контактному давлению при уменьшении коэффициента Пуассона относительное контактное касательное напряжение уточняется. Влияние модуля упругости на относительное контактное касательное напряжение более существенно. Отличие решений для моделей с учетом и без учета канавок со смазочным материалом в случае относительного касательного контактного напряжения более существенно, но не оказывает особого влияния на напряженное состояние в зоне контакта. Максимальное отклонение средних полиномиальных от решения без учета канавок при Па равно 0,02436 и при Па – 0,017797, что находится на уровне погрешности определения напряжений методом конечных элементов.

Таким образом, рассмотрено изменение параметров в зоне контакта при учете канавок со смазочным материалом. Произведено сравнение параметров зоны контакта решений для моделей с учетом и без учета канавок со смазочным материалом. Влияние канавок со смазочным материалом на контактное давление приводит к падению контактного давления в зоне контакта со смазкой, при контакте с антифрикционной прослойкой контактное давление растет от конца предыдущей канавки с дальнейшим падением к началу новой. В зонах соприкосновения антифрикционной прослойки с канавками со смазочным материалом происходит скачкообразное изменение контактного давления. При этом средняя полиномиальная кривая контактного давления имеет хорошее количественное и качественное совпадение с контактным давлением, полученным для модели, не учитывающей канавки со смазочным материалом. Влияние канавок со смазкой на относительное контактное касательное напряжение более существенно, разброс данных, полученных при решении, достаточно широк, но незначительно влияет на напряженно-деформированное состояние конструкции в целом. При учете канавок со смазочным материалом время счета осесимметричной задачи увеличивается до нескольких часов. При этом градиентное увеличение элементов в нижней и верхней плитах невозможно, т.к. оно приводит к расхождению решения. Учет канавок со смазочным материалом в трехмерной постановке задачи сделает ее практически сложно реализуемой. Так как контактное давление модели без учета канавок достаточно близко к модели их учитывающей, а максимально отклонение относительного контактного касательного напряжения имеет порядок погрешности метода конечных элементов можно сделать вывод, что при анализе контактного узла канавки со смазочным материалом можно не учитывать[50, 51].