НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РАДІОНЕНКО ОЛЕКСАНДР ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.891 (043.3)

МЕХАНІЗМ ГРАНИЧНОГО ЗМАЩУВАННЯ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ З ЧАСТКОВО РЕГУЛЯРНИМ МІКРОРЕЛЬЄФОМ ТА ЇХ ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Спеціальність 05.02.04 - тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Приазовського

державного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Кіндрачук Мирослав Васильович,

Національний авіаційний університет, завідувач

кафедри машинознавства Аерокосмічного інституту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент

НАН України

Аксьонов Олександр Федотович,

Національний авіаційний університет, радник ректора

кандидат технічних наук

Міщук Олег Олександрович,

Український науково-дослідний інститут

нафтопереробної промисловості “МАСМА”,

завідувач лабораторії трибології та хімії поверхні

Провідна установа: Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко

НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “21” квітня 2006 року о 16:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.04 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус 1

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус 8

Автореферат розісланий “16” березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент О.Л. Матвєєва

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розробка технологічних методів і заходів щодо створення поверхонь тертя з властивостями, які б забезпечували надійну змащувальну плівку з самого початку прироблення, є перспективним напрямом триботехніки і технології машинобудування. Проте, практичне рішення цих задач неможливе без знання механізму змащування і чинників, що впливають на стан граничної змащувальної плівки. Пошуки нових технологічних методів утворення зносостійких поверхонь в 60-ті роки привели до створення на поверхнях тертя мікро- і макропоглиблень. Зокрема, Шнейдером Ю. Г. був розроблений спосіб утворення сітки мікроканалів вібронакатуванням. Не дивлячись на те, що було виконано велику кількість науково-дослідних робіт щодо вивчення поверхонь з частково регулярними мікрорельєфами (ЧРМР, ГОСТ 24773 - 81), механізм змащування таких поверхонь при граничному терті не вивчений.

Відсутність теоретичного і експериментального обґрунтовування механізму граничного тертя і змащування поверхонь з ЧРМР приводила до необґрунтованих спроб застосування таких поверхонь в промисловості і гальмувала розробку нових технологічних методів і способів створення поверхонь тертя. Тому робота, спрямована на дослідження механізму граничного змащування поверхонь з ЧРМР та їх технологічне забезпечення, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації пов'язана з держбюджетною науково-дослідною роботою “Методи і засоби підвищення точності і експлуатаційної надійності деталей машин”, виконаною на кафедрі технології машинобудування Приазовського державного технічного університету згідно з планами 1989 - 1991, 1992 - 1996, 1997 - 2001 р.р. В 1986 - 1988 р. дослідження проводилися відповідно до госпдоговірної тематики кафедри технології приладобудування Ленінградського інституту точної механіки і оптики (ЛІТМО), а також за темою 39/84 “Дослідження і оптимізація основних геометричних і кінематичних параметрів РТМ з метою підвищення продуктивності, якості таблеток і зниження втрат сировини”, виконана в 1984 р. на кафедрі технології машинобудування ЖдМІ.

Мета і задачі дослідження. Враховуючи сутність наукової проблеми, метою дисертації є: встановлення закономірностей механізму граничного змащування і тертя на поверхнях з частково регулярним мікрорельєфом і розробка рекомендацій щодо поліпшення антифрикційних характеристик поверхонь з ЧРМР, а також розробка технологічних способів отримання таких поверхонь.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

1. Провести аналіз існуючих теорій механізму граничного змащування і способів технологічного забезпечення надійності змащувальної плівки при граничному терті.

2. Розробити методику, способи і пристрої для дослідження механізму граничного змащування. Виконати випробування і атестацію нових способів і пристроїв з метою підтвердження можливості їх застосування.

3. Дослідити закономірності зміни адгезійної і деформаційної складових сили (коефіцієнта) тертя залежно від основних параметрів ЧРМР і шорсткості по–верхонь.

4. Виявити залежність змочуваності поверхонь з ЧРМР від їх параметрів.

5. Вивчити умови переходу режимів тертя від граничного тертя до напіврідинного і рідинного для поверхонь з ЧРМР.

6. Розробити рекомендації з поліпшення антифрикційних характеристик поверхонь ЧРМР при терті в умовах граничного змащування, а також запропонувати технологічні способи щодо реалізації цих рекомендацій.

Об'єктом дослідження є граничне тертя і змащування поверхонь з частково регулярним мікрорельєфом (ЧРМР).

Предметом дослідження є закономірності механізму граничного змащування і тертя поверхонь з ЧРМР.

Методи дослідження. Експериментальні дослідження проводилися з застосуванням нової конструкції трибометра, вдосконаленої схеми контролю товщини змащувальної плівки, нового способу контролю змочуваності поверхонь з ЧРМР. В роботі застосовувалися кіно - і фотозйомка. Використовувалися профілометр - профілограф мод. 201, мікроінтерферометр МИИ-4 і інструментальний мікроскоп. Достовірність отриманих експериментальних даних перевірялася методами математичної статистики. При розробці моделі тертя поверхонь з ЧРМР за основу була прийнята адгезійно - деформаційна теорія тертя.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше застосована в трибометрі схема тертя “вал - сталева стрічка” і розроблена конструкція трибометра (А. с. № 1215020), яка дозволила усунути макроприроблення і вплив на механізм змащування зазорів через погрішності форми і розташування досліджуваних поверхонь тертя.

2. Вперше досліджено вплив параметрів ЧРМР на адгезійну і деформацій--ну складові сили тертя, що дозволило розробити нові технологічні способи отримання поверхонь тертя (А. с. №1521569 і А. с. № 1493444).

3. Розроблена модель тертя поверхонь з ЧРМР, теоретично досліджено і експериментально підтверджено механізм їх тертя і зношування та розроблені нові технологічні способи отримання таких поверхонь.

4. Вперше досліджена роль змочуваності поверхонь з ЧРМР в механізмі змащування, завдяки розробленому способу її визначення (А. с. № 985549), що також дозволило розробити вище названі нові технологічні способи обробки поверхонь тертя і створити новий мікрорельєф поверхні тертя (А. с. № 1505800).

5. Досліджена роль шорсткості поверхонь тертя з ЧРМР, що дозволяє виключити неефективне застосування частково регулярних мікрорельєфів в про–мисловості.

6. В процесі досліджень встановлений критерій - швидкість зміни температури ДТ/Дt в робочій зоні при зміні швидкості ковзання, який дозволяє більш точно визначати режими тертя (граничне, напіврідинне або рідинне змащування) в порівнянні з відомими способами, що дозволило досліджувати умови переходу від одного режиму тертя до іншого для поверхонь з ЧРМР.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені рекомендації з поліпшення антифрикційних характеристик поверхонь з ЧРМР при граничному змащуванні і більш ефективного застосування поверхонь з мікропоглибленнями в промисловості. На підставі проведених досліджень розроблені технологічні способи утворення поверхонь тертя з оптимальними параметрами ЧРМР (А. с. № 1521569 і А. с. № 1493444) і створений новий мікрорельєф поверхні тертя (А. с. №1505800). Способи отримання поверхонь тертя з оптимальними параметрами ЧРМР пройшли дослідно-промислову перевірку на промислових вузлах тертя: в теодолітах, на парах тертя “ротор – шток” роторної таблеточної машини РТМ – 41, на парі тертя “шток – втулка” в гідроциліндрах. В усіх випадках виробничих випробувань отримані позитивні результати, що підтверджують правильність висновків, зроблених за підсумками дисертаційної роботи, і ефективність технологічних способів отримання поверхонь тертя і розроблених нових ЧРМР. Результати наукової роботи впро–ваджені в навчальний процес кафедри “Технологія машинобудування” ПДТУ.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати отримані пошукачем самостійно. В співавторстві з науковим керівником підготовлені статті, присвячені моделі тертя поверхонь з ЧРМР [2] і режимам тертя поверхонь з ЧРМР [3]. В цих роботах за допомогою керівника уточнена модель тертя і проаналізовано вплив різних чинників на режими тертя поверхонь з ЧРМР. Спільно із співавторами розроблені технологічні способи утворення поверхонь тертя і мікрорельєфу робочої поверхні тертя [8, 9, 10]. Автором дисертації в цих роботах запропонована форма поверхонь тертя і основна ідея їх отримання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися і отримали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях і семінарах: в 2005 р. на міжнародному симпозіумі укра–їнських інженерів - механіків, м. Львів; на всесоюзній конференції “Триботехнические испытания в проблеме контроля качества материалов и конструкций”, м. Москва, 1989; на республіканській конференції “Прогрессивные методы обработки труднообрабатываемых материалов”, м. Маріуполь, 1989; на шести регіональних конференціях і семінарах та наукових семінарах кафедри технології машинобудування ПДТУ, а також на науково-технічному семінарі “Проблеми тертя та зношування”, м. Київ, НАУ, 2005р.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 5 статей у фахових журналах, 9 публікацій за матеріалами доповідей на науково-технічних конференціях. Отримано 5 авторських свідоцтв.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 144 найменувань і 4 додатків. Основна частина виконана на 155 сторінках, містить 79 малюнків, 2 таблиці. Загальній обсяг дисертації - 223 сторінки, в тому числі 45 сторінок з малюнками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, показаний зв'язок роботи з науковими планами і темами, сформульовано мету дослідження, визначено задачі та способи їх розв'язання, викладено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, відзначено особистий внесок автора дисертації в спільні рішення та роботи, є відомості про апробацію дисертації та публікації.

У першому розділі проведений огляд та аналіз літературних джерел, в котрих розглядалися питання, пов'язані з механізмом змащування поверхонь при граничному терті, зокрема, поверхонь з частково регулярним мікрорельєфом.

Механізм граничного змащування досліджували Ахматов О.С., Єлин Л.В., Крагельский І.В., Костецький Б.І., Матвеєвський Р.М., Венцель С.В., Аксьонов О.Ф., Райко М.В. та ін. Змащувальний механізм поверхонь з мікропоглибленнями вивчався Євдокимовим Ю.А., Венцелем С.В., Снеговським Ф.П. і їх учнями. Більшість дослідників дотримуються думки, що при граничному терті велику роль грають процеси руйнування і відновлення змащувальної плівки в точках контакту, причому швидкість відновлення повинна бути не нижчою за швидкість руйнування. Механізм граничного змащування пояснюється авторами “плівковим голодуванням”, адсорбційними і адгезійними здібностями поверхні тертя, поверхневою енергією, змочуваністю, фізико-хімічним станом поверхневого шару.

Змочуваність поверхонь, розтікання і адгезія мастила вивчалися Дерягіним Б.В., Ахматовим О.С., Зімоном А.Д., Фуксом Г.І., Щедровим В.С., Матвеєвським P.M., Ребіндером П.О. та ін. Тертя поверхонь з частково регулярним мікрорельєфом (ЧРМР) вивчали Шнейдер Ю.Г., Крагельский І.В., Комбалов В.С., Гітіс Н.В., Одінцов Л.Г., Вініченко І.В., Євдокимов Ю.А., Приходько В.М., Сорокін В.М., Сіняков Г.І., Кіракосян О.П. Тертя з пористими покриттями досліджували Поляков А.А., Індін В.В. Механізм граничного змащування поверхонь з ЧРМР вивчений мало. В більшості робіт не було зроблено розділення режимів тертя на граничне і напіврідинне.

В даному розділі зроблений огляд робіт, присвячених технологічному забезпеченню надійної змащувальної плівки на поверхнях тертя.

В другому розділі описані методики лабораторних трибодосліджень і експериментальні засоби. Основну увагу приділено розробці засобів контролю процесів тертя при граничному змащуванні. В результаті зробленого аналізу існуючих схем тертя, вживаних в різних трибометрах, зроблений висновок, що жодна з них не може застосуватись для вивчення механізму граничного змащування поверхонь з ЧРМР.

З метою усунення попереднього макроприроблення і забезпечення постійності контурної площі контакту, а також для підвищення точності експерименту за рахунок усунення чинників, нівелюючих змащувальну дію мікроканалів, запропонована схема тертя, в якій як контрзразок використовується гнучка металева стрічка. Для реалізації цього способу розроблена принципово нова конструкція трибометра (А. с. № 1215020), яка дозволяє контролювати момент тертя, сумарний лінійний знос зразка і контрзразка, температуру в зоні тертя і товщину змащувальної плівки. Циліндричний зразок 1 (рис. 1) встановлюється в центрах приводної головки. Передній центр є ведучим. Контрзразок 2 є гнучкою металевою стрічкою.

Момент тертя контролюється за кутом повороту каретки трибометра з допомогою індуктивного датчика лінійних переміщень . Для усунення автоколивань каретки трибометр забезпечений повітряними заспокоювачами 4. Конструкція трибометра дозволяє контролювати товщину змащувальної плівки за електроопором. Температура в зоні тертя вимірювалася за допомогою хромель-копелевої термопари діаметром 0,2 мм. Мала товщина стрічки контрзразка (0,06 мм) дозволила заміряти

температуру в зоні тертя з високою точністю. Для роботи з трибометром спроектоване і виготовлене допоміжне оснащення: пристосування для збирання контрзразків і пристрій для тарировки зусилля навантаження.

Коефіцієнт тертя для пари “гнучка металева стрічка - вал” знаходиться за формулою, отриманою з відомого рівняння Ейлера.

, (1); , (2)

де 6,66 - величина передавального коефіцієнта; Wпр - зусилля поворотних пружин; Q - сила натягнення стрічки; б - кут облягання циліндра стрічкою; N – зусилля навантаження зразка.

Трибометр дозволяє проводити випробування на тертя і зношування не тільки за схемою “вал-стрічка”, а і за схемою “вал-втулка” або “вал-вкладиш”.

Для контролю режиму тертя і визначення товщини змащувальної плівки вибраний метод вимірювання електричного опору змащувальної плівки за допомогою мостової схеми. Контроль режиму тертя здійснювався за допомогою електрон–ного осцилографа СІ-76, що дозволяло спостерігати на екрані осцилограми, характерні для граничного, напіврідинного і рідинного тертя.

Для підвищення точності вимірювань опору змащувальної плівки був сконструйований і виготовлений ртутний струмозьомний пристрій, котрий забезпечував високу постійність перехідного опору, надійність і безпеку в роботі.

Загальний вигляд установки для трибодосліджень показаний на рис. 2.

Унаслідок того, що для трибодосліджень в даній роботі розроблений трибометр з принципово новою схемою тертя “вал-стрічка”, яка раніше не застосовувалася для вивчення процесів тертя, були поставлені експерименти, які підтвердили правомочність застосування формули Ейлера і застосування тонкої сталевої стрічки при дослідженні поверхонь з мікроканавками (ЧРМР) і без них.

Точність вимірювань коефіцієнта тертя за допомогою трибометра оцінювалася за величиною погрішності паралельних дослідів. Відносна погрішність л складала не більше 15,6%, а показник точності P, який визначає надійність отриманих експериментальних даних, не більше ± 1,12%.

В третьому розділі виконані експериментальні дослідження механізму змащувальної дії мікроканавок поверхонь з ЧРМР.

Дослідження адгезійної складової коефіцієнта тертя fa в даній роботі проводилося методом виключення деформаційної складової. З цією метою зразки і стрічка контрзразків оброблялися до шорсткості Rz = 0,08...0,1 мкм. Вимірювання адгезійної складової сили тертя проводилися на 3...5 циклі тертя (3...5 оборотів зразка), у момент максимального значення сили тертя. Зменшення сили тертя після 3...5 циклів пояснюється початком мікроприроблення. Всі експерименти з вивчення адгезійної складової коефіцієнта тертя проводилися в режимі граничного змащування із застосуванням мастила Індустріальне 20. Режим тертя контролювався за характером осцилограм і швидкістю зміни температури ДT/Дt. Швидкість ковзання 3,14·10-2 м/с гарантовано забезпечувала граничне змащування у всьому діапазоні досліджуваного тиску. Температура в усіх експериментах підтримувалася постійною на рівні (33 ± 2) °С. Зразки виготовлялися із сталі 45, твердістю НRC 30...32. Стрічка контрзразків сталь У8, завтовшки 0,06 мм.

Перед дослідженням поверхонь з ЧРМР, що мають різну відносну площу мікроканавок Fk, отже, різну контурну площу, була експериментально підтверджена незалежність коефіцієнта тертя від контурного тиску на поверхнях, що пройшли мікроприроблення і незалежність адгезійної складової коефіцієнта тертя від кон–турного тиску. Підтвердження було зроблено для поверхонь з ЧРМР і без них. При дослідженні адгезійної складової коефіцієнта тертя fa, в залежності від параметрів ЧРМР були отримані наступні результати (рис. 3, 4, 5, 6).

Рис. 3. Залежність адгезійної складової Рис. 4. Залежність адгезійної складової

коефіцієнта тертя fa (1,2) и коефіцієнта коефіцієнта тертя fa від відносної площі

тертя f після мікроприроблення (3,4) від мікроканавок Fk при глибині мікроканавок

відносної площі мікроканавок Fk hk: hk1 = 20 мкм; hk2 = 11 мкм; hk3 = 7 мкм;

hk4 = 3 мкм.

Рис. 5. Залежність адгезійної складової Рис. 6. Залежність адгезійної складової

коефіцієнта тертя fa від глибини коефіцієнта тертя fa від радіуса дна

мікроканавок hk мікроканавки rk

Також були проведені експерименти по вивченню fa на поверхнях з різною площею мікроканавок Fk залежно від шорсткості зразка (рис. ). Для виключення деформаційної складової тертя контрзразок доводився до шорсткості Rz = 0,1 мкм. Встановлено, що адгезійная складова fa при зростанні шорсткості зразка від Rz = 0,1мкм до Rz = 1,0 мкм падає до постійного рівня, характерного для прироблених поверхонь. Причому, при шорсткості поверхні зразка грубіше, ніж Rz = 1,0 мкм, fa не залежить від Fk. Ці дослідження дозволили зробити висновок, що механізм змащування, за наявності рівноважної шорсткості на поверхнях тертя, реалізується повністю на виступах і впадинах нерівностей шорсткості, що робить змащувальну дію мікроканавок на при–роблених поверхнях неефективною в режимі граничного змащування.

При терті поверхонь з мікроканавками з’являється сила, викликана зачепленням вершин мікронерівностей з кромками мікроканавок, що викликає додаткове зростання сили і коефіцієнта тертя. (рис. ). Для виявлення ролі деформаційної складової було виконано дос–лідження прироблення поверхонь з ЧРМР. Якщо має місце зачеплення виступів мікронерівностей з кромками мікроканавок, то тривалість мікроприроблення повинна залежати від числа мікроканавок на одиницю площини, тобто від відносної площі мікроканавки Fk . З цією метою вивчалася тривалість мікроприроблення зразків з мікроканавками і стрічки контрзразків, на якій створювалася шорсткість порядку Rz =5...7мкм (Ra ? 0,8мкм).

Мікроканавки були розташовані паралельно утворюючої. Напливи і вспучування металу по краях мікропоглиблень ретельно видалялися. Шорсткість несучої поверхні зразків складала Rz = 0,8...1,0 мкм (Ra ? 0,15 мкм). Дослідження проводилися в режимі граничного змащування з мастилом И20 і при швидкості ковзання V=3,14·10-2 м/с. Тривалість мікроприроблення визначалася за часом до стабілізації значення коефіцієнта тертя. В процесі мікроприроблення забезпечувався надлишок змащувального мастила для зведення до мінімуму адгезійної складової тертя.

Експеримент підтвердив залежність часу мікроприроблення від відносної площі мікроканавок Fk та їх глибини hk, що дозволило зробити висновок про зачеплення виступів мікронерівностей об краї мікроканавок (рис. 9). Про зачеплення виступів мікронерівностей об краї мікроканавки свідчить і мікрофотографія поверхні тертя з ЧРМР (рис. 10).

В третьому розділі також виявлена роль змочуваності поверхонь тертя з ЧРМР в механізмі тертя.

Оцінити змочуваність поверхонь з ЧРМР відомими способами не представлялося можливим, тому був розроблений спосіб, (А. с. 985549), в якому вимірюється швидкість розтікання змащувального мастила між досліджуваною поверхнею і тонкою матовою напівпрозорою лавсановою плівкою, яка щільно притискається до зразка з постійним зусиллям. Швидкість розтікання фіксувалася за допомогою кінозйомки.

Був поставлений експеримент, який дозволив порівняти вплив шорсткості поверхні на величину краєвого кута змочування И і на швидкість розтікання VИ. Даний експеримент поставлений з метою виявлення впливу на змочуваність ступеня наклепу поверхні при різній фінішній обробці зразків. Оцінювалася змочуваність зразків із сталі 45 після їх фінішної обробки і після відпалу в середовищі азоту. Цей експеримент підтвердив результати, отримані іншими авторами, і свідчить про те, що металічні поверхні з деформованим тонким поверхневим шаром володіють більшою поверхневою енергією і, отже, кращою змочуваністю, ніж поверхні без наклепу і деформації поверхневого шару (рис. 11). В даному розділі також експериментально встановлено, що залежність, як краєвого кута змочуваності, так і швидкості розтікання змащувального мастила від шорсткості поверхні мають оптимум, що відповідає шорсткості Rz = 2,0...3,2 мкм (рис. 12). Ці експерименти дозволили зробити висновок про рівнозначність оцінки поверхневої енергії поверхонь тертя та їх змочуваності, як за краєвим кутом змочування, так і за швидкістю розтікання змащувального масла (А. с. 985549). Тому допустимо застосування способу контролю змочуваності за швидкістю розтікання VИ для поверхонь з ЧРМР.

Рис. 11. Залежність краєвого кута Рис. 12. Залежність швидкості розтікання

змочуваності И від шорсткості поверхні. масла VИ від шорсткості поверхні.

При вивченні змочуваності поверхонь тертя встановлено, що швидкість

розтікання змащувального масла на поверхнях з ЧРМР вища, ніж на поверхнях без мікропоглиблень. Це відбувається тільки на тих поверхнях, у яких несучі поверхні мають шорсткість, котрі не забезпечують задовільну змащуваність (рис. 13). До таких поверхонь відносяться поверхні тертя прецизійних вузлів приладів, що працюють в умовах граничного змащування при ресурсному змазуванні. Шорсткість таких поверхонь не перевищує Rz = 0,8 мкм, що знижує їх змащуваність і утримання змащувального масла на поверхні. Розтікання масла по канавці відбувається завдяки наявності кута ц (рис. 14). Чим менше величина кута ц, тим вище швидкість розтікання.

Краща змащуваність поверхонь з ЧРМР в прецизійних вузлах тертя з високогладкими поверхнями пояснюється зарод–женням нових центрів розтікання рідкого змащувального матеріалу в точках перетину канавок.

Такі точки перетину характерні для ЧРМР II і III видів ( ГОСТ 24773-81). Отже, поверхні тертя з ЧРМР II і III видів забезпечують краще розтікання масел і створюють більш сприятливі умови для механізму змащування і процесу тертя.

Це підтверджується результатами інших досліджень, які виявили опти–мальність ЧРМР II і III видів при граничному змащуванні.

В даному розділі було виконано дослідження умов виникнення різних режимів тертя (граничне, напіврідинне, рідинне) залежно від методу змазування, швидкості ковзання і параметрів ЧРМР. Застосовувалося краплинне безперервне змазування з компенсацією торцевих витоків і краплинне періодичне, яке не ком–пенсує торцеві витоки.

Паралельно з контролем коефіцієнта тертя замірявся електроопір змащувальної плівки. Завдяки вимірюванням швидкості зміни температури ДT/Дt стало можливим більш точно визначити область граничного тертя. Це діапазон малих швидкостей на початковій ділянці кривої Герсі, на якій із збільшенням швидкості ковзання V росте і швидкість збільшення температури ДT/Дt (рис. 15). Проведені дослідження режимів тертя дозволили зробити наступні висновки:

Метод змазування поверхонь тертя з ЧРМР робить істотний вплив на механізм змащування. На поверхнях з ЧРМР збільшується торцовий витік змащувального

масла в порівнянні з поверхнями без мікропоглиблень. Із збільшенням швидкості ковзання і площини мікроканавок дренаж масла зростає. Залежність f від Fk для прецизійних пар тертя має оптимум Fk тільки при безперервному методі змазування поверхонь тертя з компенсацією торцевих витоків (рис. 16). Для режиму граничного тертя характерне підвищення швидкості росту температури ДT/Дt із збільшенням швидкості ковзання V і значне одночасне зниження коефіцієнта тертя f.

В четвертому розділі виконано узагальнення експериментальних результатів і розроблена модель тертя поверхонь з ЧРМР в умовах граничного змащування. В основі моделі прийнято існування двох складових сили або коефіцієнта тертя: молекулярної (адгезійної) та механічної (деформаційної). Розробка теоретичних залежностей для молекулярної і механічної складових тертя базується на розгляді одиничного фрикційного зв'язку. При розробці молекулярно-механічної теорії тертя шорсткість спряжених поверхонь моделювалася у вигляді набору пружних сферичних виступів, розташованих на різних рівнях (рис. 17). Аналогічна теоретична модель використовувалася і для поверхонь з ЧРМР.

На підставі прийнятої моделі контакту поверхонь тертя отримана залежність для сили тертя:

, (3)

де Тк - сила тертя на поверхні з ЧРМР; фа.к. і фд.к. – адгезійна та деформаційна складові сили тертя на одиничному фрикційному контакті на несучій поверхні з ЧРМР; фа.кр і фд.кр - адгезійна і деформаційна складові сили тертя між вершиною одиничної мікронерівності і кромкою мікроканавки на поверхні з ЧРМР; nro - число фрикційних контактів на поверхні без мікропоглиблень або на поверхні з ЧРМР, але без урахування площі мікроканавок; nк - число вершин мікронерівностей, що припадає на площу мікроканавок; nкр - число фрикційних контактів з кромкою мікроканавок.

В рівнянні (3) числові значення величини фа.к.. можуть бути визначені тільки в результаті експерименту для конкретних умов тертя, фд.к. і nro - визначаються за методикою, викладеною в роботах І.В. Крагельського. Величина фа.кр. може бути прирівняна до нуля, оскільки на краю мікроканавки існує надійна змащувальна плівка.

Величина nк і nкр знаходяться з умов:

; (4) , (5)

де Sд - середній крок по виступах профілю мікронерівностей, що знаходиться вище за рівень зближення д.

Деформаційна складова сили тертя на кромці мікроканавки фд.кр. визначається виходячи з схеми взаємодії вершини мікронерівності з кромкою мікроканавки.

, (6)

де ji - жорсткість одиничної мікронерівності; д - величина зближення поверхонь при терті під дією навантаження; f - коефіцієнт тертя між мікронерівністю і кромкою канавки; б - кут сітки мікроканалів; rк і hk - радіус дна мікроканалів та їх глибина.

Розроблена модель тертя поверхонь з ЧРМР дозволяє проаналізувати вплив параметрів з ЧРМР на силу тертя при граничному змащуванні і зробити уза гальнений висновок, що поверхні з ЧРМР разом з поліпшенням механізму змащування збільшують деформаційну складову сили тертя.

Зниження деформаційної складової сили тертя на кромках мікронерівностей може здійснюватися технологічними методами шляхом утворення ЧРМР з мікроканавками, які мають менший кут зустрічі цi, що досягається при зменшенні глибини мікроканавок hк і збільшенні радіусу їх дна rк та зменшенні кута сітки мікроканавок б.

На підставі проведених в умовах граничного змащування експериментів, а також з урахуванням моделі тертя, розроблені нові технологічні способи утворення поверхонь тертя з ЧРМР.

Профіль поверхні тертя показаний на рис. 18. Відмітними ознаками даної поверхні є: асиметричність профілю мікроканавки, плавний перехід від несучої наклепаної поверхні до дна мікроканавки з малим кутом зустрічі цi і більш висока змочуваність несучої поверхні, в порівнянні із змочуваністю поверхонь, які не мають наклепу поверхневого шара. Це забезпечує ефективне витягання і утримання рідкого змащувального матеріалу в зоні контакту при граничному терті, знижує механічне зачеплення мікронерівностей

спряженої поверхні з краями мікроканавок і сприяє зменшенню сили і коефіцієнта тертя. В кінцевому результаті забезпечується більш надійна змащувальна плівка, знижується зношування поверхонь тертя і поліпшується плавність їх ходу.

Спосіб утворення поверхні тертя, зображеній на рис. 18 (А.с.1521569), полягає в наступному: на поверхні тертя однієї з деталей вузла ковзання створюються мікропоглиблення поверхневою пластичною деформацією, наприклад - вібронакатуванням, тобто створюється ЧРМР. Потім проводиться зміцнююча чистова обробка отриманої поверхні з ЧРМР поверхневою пластичною деформацією, наприклад - гладке алмазне вигладжування сферичним індентором, причому, швидкість обробки розраховується за формулою. Асиметричність профілю виникає унаслідок кінетичного удару деформуючого елемента по одній із стін мікропоглиблення. Для реалізації даного способу отримані розрахункові формули, які дозволяють визначити необхідну швидкість алмазного вигладжування для утворення асиметричного профілю мікроканавок. Експериментальна перевірка даного способу підтвердила зниження коефіцієнта тертя на 13%.

Вищеописаний спосіб утворення поверхні тертя з ЧРМР, що виконується за два переходи, є недостатньо продуктивним. Тому розроблений спосіб утворення поверхні тертя з ЧРМР, яка має зміцнену несучу поверхню, із загладженими напли вами та з округленими кромками по краях мікроканавок, що виконується за один прохід (А. с. 1493444). Для здійснення даного способу на практиці отримана математична залежність для оптимальних режимів обробки.

Результати, отримані в даній дисертаційній роботі, були випробувані на реальних парах тертя при порівняльних промислових випробуваннях. Обробка деталей осі теодолітів на базовому заводі за розробленим способом (А. с. 1521569) дозволила повністю виключити заклинювання пар тертя, при 50% заклинювань за заводською технологією. Даним способом були оброблені штоки роторної табле–точної машини РТМ - 41 М2В і хромовані штоки гідроциліндрів. Випробування показали зниження числа задирів на поверхнях тертя.

ВИСНОВКИ

В дисертації вирішена науково-технічна задача поліпшення антифрикційних характеристик поверхонь тертя з частково регулярним мікрорельєфом завдяки встановленню закономірностей механізму граничного змащування таких поверхонь і, на основі цього, розробці нових технологічних способів їх отримання. Розроблені рекомендації більш ефективного застосування поверхонь з ЧРМР при граничному терті.

Основними результатами і висновками дисертаційної роботи є:

1. Для вивчення механізму змащування поверхонь з ЧРМР розроблений і виготовлений принципово новий трибометр, захищений авторським свідоцтвом № . Дослідження змочуваності поверхонь з ЧРМР стало можливим завдяки розробленому новому способу контролю змочуваності поверхонь твердих тіл (А. с. № 985549). Конструкція трибометра, яка використовує схему тертя “вал-стрічка”, дозволила вперше вивчити вплив параметрів ЧРМР на адгезійну складову сили тертя в умовах граничного змащування, що сприяло виявленню ролі мікропоглиблень в механізмі тертя.

2. Встановлено, що мікропоглиблення служать для збереження змащу–вального матеріалу, який утримується між боковою стінкою мікропоглиблення і поверхнею спряженої деталі. Із зменшенням глибини мікроканавок і збільшенням радіусу їх дна величина кута зменшується, що приводить до зниження величини адгезійної складової сили тертя. Величина адгезійної складової коефіцієнта тертя обернено пропорційна відносній площі мікропоглиблень.

3. Мікропоглиблення поверхонь з ЧРМР забезпечують механізм змащування тільки на поверхнях, схильних до схоплювань. У разі нормального процесу тертя, коли на поверхнях тертя встановлюється рівноважна шорсткість, мікропоглиблення не впливають на механізм змащування. В цьому випадку подача змащу–вального матеріалу до місць прориву змащувальної плівки здійснюється із западин між мікронерівностями шорсткої поверхні.

4. Виявлено, що мікропоглиблення на поверхнях з ЧРМР збільшують деформаційну складову коефіцієнта тертя. З метою зниження величини деформаційної складової сили тертя необхідно зменшувати величину кута зустрічі - кута між боковою стіною мікропоглиблення і поверхнею спряженої деталі. Це досягається зменшенням глибини мікропоглиблень і збільшенням радіусу їх дна або комбінованою обробкою поверхонь тертя з ЧРМР.

5. Виконане дослідження змочуваності поверхонь з ЧРМР підтвердило, що утримання змащувального матеріалу в мікропоглибленні при граничному змащуванні і його витягання звідти на несучу поверхню здійснюється за рахунок змочуваності поверхонь тертя. Виявлено, що поверхні з ЧРМР II і III видів забезпечують більш швидке розтікання масла в зоні тертя, що підтверджується більшою ефективністю таких видів ЧРМР при їх терті, ніж виду І.

6. Виявлено, що змочуваність поверхонь тертя змащувальним маслом поліпшується після їх обробки методами ППД з деформацією, як можна більш тонкого поверхневого шару, але за умови, що шорсткість до - і після обробки ППД не змінилася у бік зменшення поверхневої енергії.

7. Експериментом вперше встановлено, що оптимум відносної площі мікропоглиблень існує тільки при безперервному змазуванні поверхонь тертя, коли компенсуються торцеві витоки масла. В цьому випадку виникає гідродинамічний тиск. В режимі граничного змащування оптимум відсутній.

8. На підставі результатів проведених експериментів розроблена нова конструкція поверхні тертя з ЧРМР і двохперехідний спосіб її утворення (А. с. № ). Також розроблені однопрохідний спосіб утворення нової поверхні з ЧРМР (А. с. № 1493444) і поверхня тертя (А. с. № 1505800).

9. З метою поліпшення механізму граничного змащування поверхонь тертя, зниження вірогідності схоплювань, підвищення задиростійкості і зносостійкості рекомендується застосування комбінованої обробки з утворенням ЧРМР і подальшим алмазним вигладжуванням на наступних парах тертя:

- прецизійних, з дуже малими зазорами (0,5 - 1 мкм) і шорсткістю поверхні тертя не грубіше Ra = 0,1 мкм (прикладом є пари тертя осі теодоліта);

- на парах, що працюють при недостачі змащувального матеріалу, в умовах пластичного контакту і згладжування початкової шорсткості (приклад - пара тертя “шток - ротор”);

- на парах, що працюють при недостачі змащувального матеріалу, поганої змочуваності маслом хоча б однієї поверхні тертя (гладко хромовані поверхні) і при пластичній деформації мікронерівностей спряженої поверхні (приклад - хромовані штоки гідро-пневмоциліндрів і втулка).

10. Промислова реалізація розробленого двохперехідного способу утворення поверхні тертя з ЧРМР здійснена на прецизійних деталях теодолітів; на парах тертя “шток - ротор” в роторної таблеточної машині РТМ-41М2В; на парах тертя “шток - втулка” гідроциліндрів.

Обробка деталей прецизійних пар тертя теодолітів за способом двохперехідної обробки і промислові випробування, які мають 10 літній термін експлуатації, показали, що всі експериментальні теодоліти випробування витримали. Схоплювання осей експериментальних теодолітів в процесі випробувань не відбулося, проти 50 % відмов унаслідок схоплювань на серійних приладах. На парах тертя “шток - ротор” РТМ-41М2В зменшилося число схоплювань, задирів поверхонь і підвищилася зносостійкість ротора. На парах тертя “шток - втулка” гідроциліндрів кількість задирів знизилася на 30 % в порівнянні з парами тертя, обробленими за заводською технологією.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Радионенко А.В., Механизм смазки поверхностей с частично регулярным микрорельефом // Проблеми трибології. – 2005. - № 4.– С. 203 – 206.

2. Радионенко А.В., Киндрачук М.В. Модель трения поверхностей с частично регулярным микрорельефом и их технологическое обеспечение // Проблеми трибології. – 2005. - № 1. – С. 59 – 68.

3. Киндрачук М.В., Радионенко А.В. Режимы трения поверхностей с частично регулярным микрорельефом // Захист металургійних машин від поломок. – 2005. - № 8. – С. 243 –249.

4. Радионенко А.В. Трибометр для исследования влияния качества поверхностей на состояние смазочной пленки // Машиноведение. – 1987. - №6. - С. - 97.

5. Радионенко А.В. Токосъемник приборов прецизионного контроля сос–тояния смазочной пленки в узлах трения // Измерительная техника. – 1988. - №12. - С. 20 - 21.

6. Трибометр: А. с. 1215020 СССР, МКИ G 01 N 19/02/ А.В. Радионенко (СССР). - № 3617380/25–28; Заявл.29.06.83; Опубл. 28.02.86, Бюл. № 8 – 204 с.

7. Способ определения маслоемкости поверхностей трения: А. с. 985549 СССР, МКИ F 16 N 29/02// G 01 N 11/ 00 / А.В. Радионенко (СССР). - № 3321642/25 – 08; Заявл. 20.07.81; Опубл. 30.12.82, Бюл. № 48. – 110 с.

8. Способ обработки поверхности трения: А. с. 1521569 СССР, МКИ В 24 В 39/00/ А.В. Радионенко, Я.С. Фельдман, Ю.Г. Шнейдер (СССР). - № 4244142/31-27; Заявл. 14.05.87; Опубл. 15.11.89, Бюл. № 42. – 95 с.

9. Способ образования поверхности трения: А. с. 1493444 СССР, МКИ В 24 В 39/00/ Ю.Г. Шнейдер, А.В. Радионенко, Я.С. Фельдман, А.П. Бородин (СССР). - № 4284417/31-27; Заявл. 15.07.87; Опубл. 15.07.89, Бюл. № 26. – 174 с.

10. Поверхность трения: А. с. 1505800 СССР, МКИ В 24 В 39/00/ А.П. Бородин, А.В. Радионенко, Ю.Г. Шнейдер (СССР). - № 4232864/31-27; Заявл. 09.03.87; Опубл. 07.09.89, Бюл. № 33. – 69 с.

11. Радіоненко О.В. Механізм тертя ковзання поверхонь з частково регулярним мікрорельєфом при граничному мащенні // Тези доп. 7-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. – Львів – 2005. – С. 121 – 122.

12. Радионенко А.В. Механизм трения прецизионных поверхностей с частично регулярным микрорельефом в условиях граничной смазки // Триботехничес–кие испытания в проблеме контроля качества материалов и конструкций: Тезисы докл. Всесоюз. науч.-техн. конф., Рыбинск, 23-25 мая/ Коорд. Совет по трибонике правл. союза НИО СССР. – Москва, 1989. – С. .

13. Радионенко А.В. Технология обработки поверхностей трения, обеспечивающих надежную граничную и жидкостную смазку // Тезисы докл. Республиканской научно-техн. конф. “Прогрессивные методы обработки труднообрабатываемых материалов”. – Мариуполь – 1989. – С. 80 - 82.

14. Радионенко А.В. Влияние частично регулярного микрорельефа на сос–тояние смазочной пленки в узлах трения // Тезисы докл. XI региональной научно-техн. конф. – Мариуполь: ПГТУ. – 2004. – С. 151 - 153.

15. Радионенко А.В. Моделирование трения поверхностей с частично регулярным микрорельефом в условиях граничной смазки // Тезисы докл. региональной научно-техн. конф. – Мариуполь: ПГТУ. – 1992. – С. 6 - 7.

16. Радионенко А.В. Механизм трения поверхностей с частично регулярным микрорельефом и технологическое обеспечение их эксплуатационных свойств // Тезисы докл. научно-техн. конф. “Интенсификация и автоматизация отделочно - зачисной обработки деталей”. – Ростов – на – Дону. – 1988. – С. 52 - 54.

17. Радионенко А.В., Фельдман Я.С. Оптимизация параметров качества поверхностей трения с частично регулярным микрорельефом // Тезисы докл. региональной науч-техн. конф. “Интенсификация процессов механической обработки и сборки в машиностроении”. – Горький. – 1988. – С. 30  .

18. Радионенко А.В. Экспериментальные исследования способа образования поверхности трения // Отделочно - зачисная обработка деталей в свободных абразивных средах: Материалы семинара/ ММИ. – Мариуполь, 1992. – С. 11  .

19. Радионенко А.В. Механизм трения прецизионных поверхностей с частично регулярным микрорельефом в условиях граничной смазки // Повышение качества и надежности машин и приборов регуляризацией микрогеометрии поверх–ностей деталей: Материалы семинара/ ЛДНТП – Л., 1989. – С. 41  .

АНОТАЦІЯ

Радіоненко А.В. Механізм граничного змащування поверхонь тертя зчастково регулярним мікрорельєфом та їх технологічне забезпечення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Національний авіаційний університет, Київ, 2006.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей механізму граничного змащування на поверхнях тертя з частково регулярним мікрорельєфом (ЧРМР, ГОСТ 24773-81) щодо поліпшення антифрикційних характеристик цих поверхонь.

В дисертації розроблена конструкція трибометра за схемою тертя “вал - сталева стрічка” та застосована вдосконалена мостова схема, яка дозволяла контролювати режим змащування. В дисертації проведені експериментальні дослідження адгезійної складової коефіцієнта тертя шляхом виключення деформаційної складової сили тертя. Вивчено вплив на адгезійну складову коефіцієнта тертя параметрів ЧРМР та шорсткості зразка.

Встановлено, що при терті поверхонь з ЧРМР відбувається механічне зачеплення мікровиступів спряженої поверхні з кромками мікроканавок поверхні з ЧРМР. Визначені умови переходу режимів тертя поверхонь з ЧРМР від граничного змащування до напіврідинного і до рідинного. При граничному терті оптимум відносної площі мікроканавок відсутній. Встановлено, що на високогладких поверхнях тертя з ЧРМР змочуваність грає суттєву роль і мікроканавки служать для розтікання рідкого змащувального матеріалу