WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 25 | 26 || 28 | 29 |   ...   | 42 |

4.1.1. АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ФРИКЦИОННЫХ СТЫКОВ Практически все узлы трения, как и другие детали машин, при эксплуатации находятся в поле акустических колебаний сложного спектра, образованного собственными частотами деталей машин, их биениями и вынужденными колебаниями от различных источников.

Чаще всего в литературе рассматриваются негативные аспекты динамичности узлов трения (акустическое загрязнение пространства, снижение долговечности и ухудшение выходных параметров машин и т. д.), что стимулирует непрерывное совершенствование пассивных и активных методов и средств подавления вибраций. Вибрация представляет интерес для трибологов как фактор, существенно влияющий на процессы трения и изнашивания материалов [4, 87, 182, 183, 233, 236, 263], при помощи которого можно эффективно управлять процессами контактного взаимодействия и характеристиками трибосопряжений в целом. В этом плане большой интерес представляет ситуация, когда совпадение частоты внешних возмущений с собственной частотой стыков деталей машин приводит к резонансу, характеризующемуся резким повышением амплитуды динамических напряжений и деформаций в стыке, который может происходить от инфра- до ультразвуковых частот.

Узлы трения можно представить как локальные динамические системы, имеющие собственные динамические характеристики, зависящие от материала, форм и размеров деталей пар трения, а также от внешней нагрузки, скорости относительного перемещения, температуры поверхностей трения и характеристик смазочного слоя [59].

Известна практика полезного применения наложенных вибраций в узлах трения [233, 236]. Так, наложенные вибрации устраняют скачки силы трения в области предварительного смещения, ускоряют релаксационные процессы в металлах и полимерах, ультразвуковые колебания облегчают процессы свинчиваний и отвинчиваний резьбовых соединений, вибрации определенных частот позволяют снизить коэффициент трения, например, в процессе волочения металлопродукции.

Вредное воздействие наложенных вибраций проявляется в бринеллировании, фреттинг-коррозии и др. нежелательных явлениях, вызывающих контактную усталость поверхностей трения и, как следствие, их интенсивное изнашивание. Известен прецедент [290] использования этого обстоятельства для проведения ускоренных испытаний на изнашивание.

Систематические исследования трения и изнашивания фрикционных пар при наличии вибраций начались в нашей стране и за рубежом в середине прошлого века. В теории данного вопроса решались динамические контактные задачи при удар F ном и волновом нагружении, строились реологические модели, описывающие ди E1 E2 E3 En намические свойства узлов трения [45, 58, 59, 62, 93, 147, 150, 185, 233, 236, 263].

1 2 3 n Реологическая модель формирования фрикционного контакта для поликристаллических тел (рис. 4.1), предложенная Ю.А. Ишлинским [127], содержит элементы Рис. 4.1. Реологическая Гука (Е – Е ) и Сен-Венана ( – ), харак1 n 1 n модель фрикционного контакта теризующие соответственно упругость и поликристаллических тел пластичность материалов.

Наличие элемента Гука обусловлено упругими свойствами поверхностных слоев и проявляется при трении объемной упругой деформацией деталей, а также упругим сжатием и изгибом гребней волн, выступов шероховатостей и т. д. На контрповерхности перед движущимся выступом создаются области упругого сжатия, а сзади – упругого растяжения. Периодические механические зацепления и расцепления выступов неровностей при относительном движении создают на поверхностях трения незатухающие колебания частотой до 107 Гц [262]. В случае периодических адгезионных схватываний и отрывов локальных участков поверхностей при трении проявляется эффект фрикционных автоколебаний [147, 150]. Спектр таких колебаний преимущественно находится в области звуковых частот 20-Гц. При катастрофических видах изнашивания, например, при циклических когезионных схватываниях поверхностей трения и вырываниях фрагментов поверхностного слоя, возникают низкочастотные звуковые и инфразвуковые колебания (детонация) деталей машин. Поскольку упругая деформация обратима, материалы узлов трения при таких колебаниях не поглощают энергии, а узел трения в этом случае является трансформатором подводимой механической энергии в акустическую.

Наличие элементов Сен-Венана обусловлено пластической деформацией выступов неровностей поверхностей трения. При этом материалы узлов трения необратимо поглощают подводимую энергию, преобразуя ее во внутреннюю в виде теплообразования и аккумулирования упругой энергии дефектов кристаллической решетки. Поскольку даже при малых внешних нагрузках на фактических площадях контакта развиваются давления, превышающие предел текучести материалов, пластическая составляющая всегда имеет место при трении и реагирует на сколь угодно малые приращения нагрузки в виде микропластических деформаций [185]. Так, любой удар или волна вызывают соответствующие микропластические деформации поверхностных слоев и, как следствие, передаются через пластический контакт с некоторым ослаблением.

F Однако для реальных узлов трения Eсм bсм указанных элементов недостаточно. Смазочный слой, разделяющий поверхности трения, обладает кинематической и объемной вязкостью, а материалы пар трения E1 E2 E3 En могут со временем проявлять ползучесть.

1 2 3 n Поэтому более точную модель стыка можно представить путем добавления в модель А.Ю. Ишлинского элемента КельвинаРис. 4.2. Реологическая Фойгта для вязких тел, состоящего из памодель узла трения раллельно соединенных элементов Гука – Е и Ньютона – b (рис. 4.2). Вязкость обусловлена внутренним тресм см нием, при котором механическая энергия расходуется на разрывы и образование новых межмолекулярных связей. Если энергия, переносимая волнами, будет ниже энергии внутреннего трения, произойдет полное демпфирование колебаний. Поскольку время релаксации вандер-ваальсовых связей может быть достаточно велико, деформация вязких тел имеет ограниченную скорость. Кроме того, нужно учесть, что вязкость граничных слоев смазочных масел из-за влияния поверхностной энергии металлов значительно превышает их вязкость в объеме, создавая градиент вязкости. Параметр b/E характеризует время запаздывания элемента Кельвина-Фойгта, причем если b/E>>t, где t – время приложения нагрузки, то элемент ведет себя как вязкое тело, а при b/E<



Вибрации, близкие к гармоническим, через вязкие тела передаются с запаздыванием во времени и уменьшением амплитуды, вследствие чего проявляется демпфирующий эффект. С повышением крутизны волны вибраций, например, при увеличении амплитуды или частоты колебаний, элемент Ньютона становится жестче, а ударные нагрузки через элемент вязкости передаются как через абсолютно жесткое тело [185].

Таким образом, данная модель показывает, что в зависимости от исполнения и условий работы узел трения может функционировать как генератор колебаний, а также как демпфер.

4.1.2. СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА ИЗНАШИВАНИЕ ПРИ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОМ СКОЛЬЖЕНИИ С НАЛОЖЕННОЙ ВИБРАЦИЕЙ Комплексное экспериментальное исследование кинетики изменения параметров состояния материалов поверхностей трения проводилось на специальной установке ВИ-1 для испытаний материалов на износ в режиме возвратно-поступательного скольжения с наложенной гармонической вибрацией в нормальной плоскости, разработанной в НТЦ «Надежность» СамГТУ [108, 116]. Схема и общий вид установки приведены на рис. 4.3.-4.4.

От электродвигателя 1 вращение передается регулируемому эксцентрику (кривошипу) 2, выполненному на ведомом валу клиноременной передачи 3. Далее с помощью коромысла 5, шатунов 4, 6 приводится в движение ползун 7, перекатывающийся на роликах 8 по жесткому основанию 9.

Рис. 4.3. Схема установки ВИ-1 (а) Рис. 4.4. Общий вид стенда ВИ-и конструкция образцов (б) для исследования изнашивания для испытаний на износ с наложенной вибрацией при возвратно-поступательном трении скольжения с наложенной вибрацией К верхней плоскости ползуна 7 жестко крепятся масляная ванночка 10 и пара нижних подвижных образцов 11. Верхнюю пару неподвижных образцов 12, закрепленную на каретке 13, прижимают к нижним образцам, образуя четыре плоских стыка с общей площадью перекрытия 100 мм2. Нормальная статическая нагрузка в стыках создается грузом 15 через рычаг 16 и гибкий шток 17, верхний конец которого упирается в каретку 13. Каретка имеет возможность перемещаться в вертикальной плоскости по мере износа образцов вдоль направляющих пазов в двух упругих стойках 18, на которые наклеены проволочные тензодатчики 19 для регистрации силы трения в стыках.

Вибрация стыков в нормальной плоскости возбуждается вибратором 20 электродинамического типа ВЭД-10А и усиливается через систему масс и рычагов (резонаторов) самоустанавливающегося узла вибронагружения 21, 22. Перемещением массы 21 вдоль оси резонатора 22 достигаются необходимый уровень и коррекция параметров вибрации и пульсирующей нормальной нагрузки в контакте. Для возбуждения вибратора и управления параметрами вибрации используется панель управления вибростендом ВЭДС-10А. Контроль динамической нагрузки и параметров вибрации в контакте осуществляется тензодатчиками 23 и пьезоэлектрическим вибропреобразователем 24 типа Д-14. Необходимая температура в зоне трения создается встроенным электронагревателем 24. Технические параметры стенда приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.Технические характеристики стенда Габаритные размеры (длина, ширина, высота), м 0,800,741,Размеры испытываемых образцов (авh), мм Количество одновременно испытываемых образцов Общая площадь контакта, мм2 Тип электродвигателя ДАМХ 901.4У3 Асинхронный Мощность электродвигателя, кВт 1,Частота вращения вала электродвигателя, мин–1 Передаточное число клиноременной передачи 2,Перемещение ползуна (путь трения), мм 5-Скорость трения (скорость перемещения ползуна), м/с, max 0,Тип вибрационного электродинамического стенда ВЭДС-10А Тип виброусилителя (пульта управления) СУПВ-0,1А Тип вибратора ВЭД-10А Собственная частота подвески подвижной системы, Гц Толкающая сила вибратора, кгс Рабочий диапазон частот, Гц 5-Амплитуда вибросмещения, мм Предельное виброускорение, м/с2:

- с нагрузкой - без нагрузки Конструкция узла трения установки ВИ-1 приведена на рис. 4.5.

Как отмечалось, для возможности оценки коэффициента трения при испытаниях на боковую поверхность пружин, в проушины которых вставляется каретка, наклеены тензодатчики по мостовой схеме. Сигнал от тензодатчиков поступает на вход дифференциального усилителя с коэффициентом усиления 104 и дальше переходит в аналого-цифровой преобразователь ЛА-50USB для возможности мониторинга сигнала на экране компьютера. Для этой же цели к усилителю можно подключать шлейфовый осциллограф. Амплитуду колебаний в стыке измеряли при помощи емкостного датчика.

f= 40…40000 Гц Резонатор Каретка Датчик ДОбразцы из Штырь бронзы БрАЖН 10-4-Ползун Образцы из стали Тензодатчики 30ХГСА А=10мм Fт = 500Н Пружины Шток Рис. 4.5. Схема узла трения стенда ВИ-4.1.3. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ Исследование кинетики усталостного изнашивания материалов направлено на выявление закономерности изменения активационных параметров кинетической модели повреждаемости – энергии активации пластической деформации u и структурно-чувствительного коэффициента, характеризующих состояние поверхностных слоев по мере их наработки на стенде, а также на изучение влияния различных факторов на характеристики процесса изнашивания. Свойства поверхностных слоев определялись непосредственно на приработанной поверхности.





В процессе усталостного изнашивания происходит циклическое разрушение тонкого поверхностного слоя; после каждого цикла диспергирования уставшего материала на поверхности оказывается «новый» нижележащий слой, для которого процессы повреждаемости повторяются вновь. Поэтому в методике испытаний важно предусмотреть, чтобы найденные закономерности изменения активационных характеристик относились к одному слою изнашиваемого материала. Для этого в процессе испытаний на изнашивание делаются периодические остановки, во время которых производится оценка характеристик приработанного поверхностного слоя на 4-х участках, – при исследованиях они условно обозначаются буквами А – Г. Периодичность контроля активационных характеристик образцов устанавливают эмпирически в ходе предварительных испытаний таким образом, чтобы за один цикл изнашивания получалось несколько промежуточных остановок.

Приработка образцов на стенде ВИ-1 выполнялась следующим образом.

- Пару образцов из одного материала закрепляют на дне каретки.

Вторую пару образцов крепят к ползуну, имеющему бурты в виде ванночки, в которую заливается смазочное масло. Каретку устанавливают на ползун так, чтобы штыри каретки вошли в проушины на пружинных стойках.

- Через центральное отверстие на каретке и ползуне вставляют шток до упора втулки в крышку каретки. Нижнюю втулку штока вставляют в паз проушины рычага и навешивают на конец рычага груз.

- Свинчивают верхнюю втулку штока с шаровой опорой резонатора. Запускают вибратор и устанавливают генератором резонансную частоту стыка необходимой амплитуды. Параметры вибрации оцениваются емкостным датчиком.

- Запускают двигатель, приводящий ползун в возвратно-поступательное движение.

- По завершении требуемой длительности испытаний стенд отключают. Снимают каретку с неподвижными образцами и определяют на приработанных поверхностях образцов величину линейного износа h, микротвердость Hµ и энергию активации пластической деформации поверхностного слоя U. Если в исследуемой паре трения материалы имеют разную износостойкость, то все измерения проводятся только на образцах наиболее быстро изнашиваемого материала.

- Повторяют наработку образцов на стенде до появления не менее трех циклов изнашивания испытываемых материалов. При этом во избежание нарушения базирования исследуемые образцы не снимаются с каретки на протяжении всего цикла экспериментов.

- Микротвердость, характеризующая степень наклепа поверхностного слоя при истирании, определяется стандартным методом вдавливания алмазной пирамиды по Виккерсу [61] при помощи микротвердомера ПМТ-3 с массой навески 200 г.

Энергия активации пластической деформации поверхностного слоя, являющаяся основной характеристикой роста запасенной энергии и критерием оценки действующего механизма повреждаемости, а также структурно-чувствительный коэффициент определялись методом склерометрии [13] по методике, описанной в гл. 3 (патент РФ №2166745) [227]. В качестве прибора для нанесения царапин используется микротвердомер ПМТ-3. Царапины наносятся индентором – алмазной пирамидой с углом при вершине 136° – путем перемещения столика микротвердомера с образцом относительно индентора, опущенного на изучаемую поверхность под постоянной нагрузкой. Перемещение столика на требуемое расстояние L, определяющее длину царапины, задается вращением ручного маховика микрометрической подачи. Получение качественного, равномерного по глубине пропахивания обусловлено свободой перемещения индентора по вертикали (под собственным весом) и жесткостью крепления индентора к воздействию касательных сил.

Линейный износ определяли методом выдавленных лунок. Для этого на поверхность трения наносили накол твердосплавным коническим керном с тупым углом при вершине. Затем шлифованием устраняли «холмы», образующихся вследствие пластической деформации металла по краям углубления. Далее оптическим микрометром измеряли базовую ширину конической лунки D, которая связана с ее глубиной зависимостью D h =. (4.1) 2 tg( 2) По мере изнашивания материала ширина лунки уменьшается. По размерам лунки до и после приработки поверхностей можно определить линейный износ как разность базовой и рассчитанной после приработки глубин лунки-свидетеля. Чем больше угол при вершине, тем более чувствителен данный метод к величине линейного износа.

Благодаря правильной конической форме лунок и простоте их получения этот способ при доступности и приемлемой точности (до 0,4 мкм) позволяет проводить измерения в любом направлении в одной и той же области поверхностей трения, а также ограничиться применением прибора ПМТ-3, при помощи которого оцениваются все остальные параметры. Это выгодно отличает приведенный способ от традиционных методов профилометрирования и вырезанных лунок. Для испытаний в центральной части поверхности трения бронзовых образцов выдавливались лунки с базовым диаметром 0,2 мм.

Pages:     | 1 |   ...   | 25 | 26 || 28 | 29 |   ...   | 42 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.