Технические свойства трибосистем

Т р е н и е

И з н а ш и в а н и е

Коэф. трения

Несу-щая

способ

ность

Потери

на

трение

Прира-

ботка

Вид

основ-ного

износа

Изно-состой-

кость

Рис.26. Схема влияния температурных параметров на основные

технические свойства трибосистем

При трении без смазки рост температуры снижает физико-механические характеристики материалов трущихся пар. У металлических сплавов могут образоваться структурные составляющие с низкой прочностью и твёрдостью. Полимерные материалы могут перейти в другое агрегатное (высокоэластическое, вязкотекучее) или фазовое (изменить процент кристалличности) состояние, что снижает их износостойкость.

Влияние температуры на все, без исключения, характеристики изнаши-вания огромно. Без решения температурных задач, связанных с работой самых различных трибосистем в самых разных условиях, не возможны ни рациональное конструирование, ни правильная эксплуатация современных высокоскоростных и тяжелонагруженных трибосистем.

3.2 Динамика

И на колебания надо решиться.

С. Е. Лец

Динамика (от греческого динамис – сила) – раздел механики, изучаю-щий движение тел под действием приложенных к ним сил, изменяющихся по величине или (и) по направлению во времени.

Рис. 27. Зависимость относительной износостойкости стали Х12Ф1 от

температуры закалки при испытании: 1-пластин прессформы,

2-образцов на машине УАЗ, 3-образцов на машине Х4-Б,

4-бил дробилки.

Известно, что результаты триботехнических испытаний одного и того же материала на различных стандартных машинах трения и натурных объектах существенно различаются (Рис.27) [42].

Это связано с различием в динамических характеристиках как испыта-тельных машин, так и реальных объектов, влияющих на диссипативные свойства трибообъекта и его износостойкость.

Реакцией на любое динамическое воздействие (внешних или внутренних переменных во времени сил) на машину, включающую узел трения, являются различные колебания, то есть движения, обладающие неко-торой степенью повторяемости во времени.

Динамический канал диссипации подводимой энергии преобразует её через колебательные процессы во внутреннее трение, рассеивая в поверхностных микрообъёмах.

Зазоры, в любом подвижном трибосопряжении, представляют собой "паразитные" степени свободы и облегчают возможность колебаний микро-объёмов контактирующих поверхностей на пятнах фактического контакта. Это могут быть свободные, вынужденные и автоколебания.

Свободными называются колебания, возникающие в результате разо-вого воздействия внешней силы, вызывающей начальное отклонение трибо-системы от положения устойчивого равновесия. Это затухающие колебания.

Вынужденные колебания вызываются внешней (по отношению к узлу трения) периодической силой, то есть являются следствием условий эксплуатации и особенностей конструкции. Их параметры, по данным работы [59] включают частоты до 10 кГц и амплитуды до 200-400 мкм. С увеличением частоты их амплитуда обычно уменьшается.

Автоколебания самовозбуждаются в трибосистеме без внешней пери-одической силы от источника энергии неколебательного характера при наличии в системе элемента, квантующего эту энергию.

Возникновение автоколебаний хорошо иллюстрирует модель Ван-дер-Поля (Рис.28).

Рис.28. Модель Ван-дер-Поля

Здесь источником энергии является двигатель, перемещающий непрерывную ленту; колебательной системой - ползун и пружины; обратной связью - пружины; квантователем силы - контактирующие поверхности. Модель работает следующим образом. Ползун лежит на ленте и движется вместе с ней вправо пока силы пружин не преодолеют силы трения покоя. После страгивания ползун движется влево по ленте и, благодаря инерции и тому, что сила трения скольжения меньше силы трения покоя, пересекает нейтральную точку. Затем он останавливается и начинает опять двигаться вправо, то есть колебаться вокруг нейтральной точки.

Колебания с относительно длительными остановками - это релаксационные фрикционные автоколебания.

Бигармонические колебания, со своим сдвигом фаз для каждой гармоники, и мгновенными остановками называются квазигармоническими фрикционными автоколебаниями. Они возникают под действием переменной по времени (срыв и остановка ползуна) возмущающей силы, а их частота равна собственной частоте.

Причиной возникновения фрикционных автоколебаний является разность сил трения покоя и движения, а также возрастающий от скорости характер первых и падающий - вторых.

Рис. 29. Активный микрообъём трибоповерхности

Колебания в трибосистемах возникают на участках фактического контакта в поверхностных микрообъёмах материала. Причём, в колебательном движении участвуют не только материал микронеровности, но и прилегающая к ней часть объёма поверхностного слоя. Этот активный микрообъём материала поверхности трения показан на рис. 29.

Нормальные и тангенциальные напряжения, возникающие при контак-

те микронеровностей в точке на поверхности трения, будут зависить от координат, времени, относительной скорости и поверхностной температуры, так как, кроме колебаний, активные микрообъёмы материала испытывают флуктуации вследствие тепловых пиков. Величины микроскопических деформаций в сумме определяют макродеформацию поверхности трения.

Следует отметить, что диссипативные функции не влияют на частоту собственных колебаний, а изменяют лишь логарифмический декремент затухающих колебаний.

Доказано, что фрикционный контакт является многомассовой механи-ческой системой. Трибоспектр частот собственных колебаний контактирую-щих микронеровностей поверхностей трения занимает диапозон от нуля до десятка мГц, то есть охватывает практически весь спектр частот собственных колебаний реальных механических систем. В связи с этим динамические процессы в машине и на трибоконтакте взаимовлияют друг на друга. Так, например, колебания механической системы могут привести к уменьшению на порядок коэффициента трения во фрикционном узле. С другой стороны, динамика фрикционного контакта может вызвать интенсивные колебания в машине.

Влияние низкочастотных (15-35 Гц) вибраций на силу трения покоя [59] весьма существенно. Такие колебания нарушают затяжку резьбовых соединений, самоторможение червячных передач, сопротивление торможению.

Фрикционные колебания при движении нарушают равномерность перемещений суппортов станков и блоков измерительных машин.

Особенно сильно эффект от воздействия вибраций проявляется при высоких скоростях скольжения и температурах, когда имеет место релаксационный минимум внутреннего трения. Например, при 300⁰С (573К) углеродистые стали имеют релаксационный максимум, связанный с диф-фузией атомов внедрения (пик Снука) или с взаимодействием дислокаций с примесеыми атомами (пик Кестера) [61].

В свете изложенного представляется недостаточно корректным испытания и моделирование трибосистем как отдельного самостоятельного блока [64]. Современная методика решения проблемы основывается на комплексном (математическом и агрегатно-материальном) моделировании механических систем с диссипативной подсистемой трения. Решая подобные триботехнические задачи, необходимо учитывать двойственную упруго-диссипативную природу процессов трения. Для этого выражение силы трения в модели механической системы представляют в виде комплексной функции, где вещественная часть отражает упругие свойства, а мнимая - диссипативные.