МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ГУП «ФАН ВА ТАРАККИЁТ»
ПРИ ТАШКЕНТСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ТЕХНИЧЕСКОМ
УНИВЕРСИТЕТЕ имени АБУ РАЙХАНА БЕРУНИЙ
На правах рукописи
УДК 620.178.16.001.2
Хачатурьян Станислав Валентинович
КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДХОДА
Специальность: 05.02.04 – Трение и износ в машинах
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Ташкент - 2008
2
Работа выполнена на кафедре «Основы конструирования машин»
Ташкентского института инженеров железнодорожного транспорта и в
НИЛ «Трибология и механохимия гетерогенных систем» НТК ГУП «Фан
ва тараккиёт» при ТГТУ им. А. Беруни.
Научный консультант
:
академик АН РУз, д.т.н., профессор
Негматов С. С.
Официальные оппоненты:
академик АН РУз, д.т.н., профессор
Лебедев О. В.
академик АН РУз, д.т.н., профессор
Йулдашев Ш. У.
д.т.н., профессор Махкамов К. Х.
Ведущее предприятие
Ташкентский автомобильно-
дорожный институт
Защита диссертации состоится « » 2008г. в часов
на заседании разового специализированного ученого совета Д 067.50.01 по
специальности 05.02.04. — «Трение и износ в машинах» в Научно-
технологическом комплексе ГУП «Фан ва тараккиёт» при ТашГТУ по
адресу: 100174, г. Ташкент, ул. Мирза Голиба, 7-а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-
технологического комплекса «Фан ва тараккиёт».
Автореферат разослан « » 2008г.
Ваш отзыв на реферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью,
просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря
Специализированного совета. Тел. 246-39-28. Факс 118-92-75.
Ученый секретарь
Специализированного совета, к.х.н. Бабаханова М.Г.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность работы.
Выступая на XIV сессии Олий Мажлиса
Республики Узбекистан первого созыва, И.А. Каримов выделил шесть
пунктов по структурным преобразованиям в экономике республики, в
которых указывается на необходимость ускоренного развития наукоёмких
производств,
таких
как
автомобилестроение,
самолетостроение,
железнодорожный транспорт и др.
Одной
из
важнейших
концепций
глубокой
перестройки
хозяйственного механизма Республики Узбекистан является создание
эффективной и гибкой системы экономического развития и реализация на
этой основе программы повышения технического уровня и качества машин
с увеличением их экономичности, производительности и долговечности на
основе научного подхода к вопросам проектирования и изготовления
техники.
Долговечность машин и механизмов в значительной степени
определяется работоспособностью узлов трения. Узел трения – самое
слабое звено машин и механизмов. Как известно, до 70% отказов машин
происходит из-за недостаточной работоспособности узлов трения.
Эффективность производства и эксплуатации машин и механизмов
должна закладываться в процессе их проектирования. В настоящее время
инженер-конструктор, сидя за письменным столом, может рассчитать
прочность конструкции машины, но не может надежно прогнозировать
долговечность узлов трения в процессе эксплуатации. Поэтому в практике
проектирования трибосопряжений приходится проводить длительные и
дорогостоящие лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания,
что удорожает и затягивает процесс проектирования машин и механизмов.
В связи с вышеизложенным разработка расчетных методов оценки
износостойкости трибосопряжений является весьма
актуальной.
Степень изученности проблемы.
К настоящему времени учеными
много сделано и делается для борьбы с трением и изнашиванием. Однако
природа внешнего трения еще недостаточно изучена, из-за сложности и
многофакторности процессов, происходящих в зоне трения. Это является
одной из причин того, что к настоящему времени не разработано
достаточно
надежных
методик
для
расчета
износостойкости
трибосопряжений и долговечности деталей машин.
Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР.
Диссертационная работа проводилась в соответствии с «Единым
комплексным планом повышения технического уровня кампании
«Узбекистон Темир Йуллари» по оздоровлению железнодорожного пути и
Государственной программой фундаментальных научных исследований
Ф–2.1.40 «Исследование термодинамических параметров структурно-
энергетических закономерностей фрикционного взаимодействия» (2003-
2007 г.г.)
4
Цель
исследования.
Теоретическое
и
экспериментальное
исследование закономерностей процесса разрушения поверхностных
слоев металлических материалов при трении с использованием
термодинамического подхода и разработка расчетно-аналитических
методов прогнозирования износостойкости трибосопряжений на стадии
их проектирования и изготовления.
Задачи исследования:
—
теоретически исследовать возможность использования
термодинамического подхода к оценке изнашивания при внешнем трении;
— разработать методики и средства проведения экспериментальных
исследований энергетического и энтропийного баланса процесса
изнашивания о закрепленные абразивные частицы;
— экспериментально исследовать и провести анализ взаимной связи
закономерностей изнашивания с термодинамическими (энергетическими
и
энтропийными)
характеристиками
процесса
фрикционного
взаимодействия;
— проверить достоверность различных термодинамических критериев
поверхностной прочности металлических материалов при трении,
предложенных другими авторами, с использованием прямых
экспериментальных методов исследования;
— разработать методы оценки:
▪ износа сопряжений на основе синтеза энтропийного подхода и
кинетической концепции разрушения материалов, в частности, для
прогнозирования износостойкости рельса;
▪ относительной абразивной износостойкости материалов на основе
коэффициента деформационного упрочнения;
▪ относительной износостойкости рельсов при помощи энергоемкости
материала при пластической деформации.
— на основе комплексных исследований процесса трения и изнашивания
с термодинамических позиций разработать инженерные методы расчета
износостойкости трибосопряжений на стадии проектирования и
изготовления.
Объект и предмет исследования.
Оценка изнашивания
трибосопряжений, работающих в условиях абразивной среды, и трущихся
пар, в которых процесс трения не сопровождается химическим
взаимодействием с окружающей средой, в частности, для расчета износа
рельса, а также оценка относительной износостойкости рельсов.
Методы исследований.
Теоретические методы исследования
построены на энергетической, энтропийной и энтропийно-кинетической
моделях изнашивания с привлечением достижений теории дислокаций,
классической и неравновесной термодинамики и кинетической теории
разрушения твердых тел.
5
При проведении экспериментальных исследований определялись
составляющие энергетического и энтропийного балансов методом
проточного
калориметра,
закономерности
процесса
абразивного
изнашивания, а также температура на поверхности трения методом
разомкнутой термопары.
Экспериментальные данные обрабатывались методами математической
статистики и сопоставлялись с данными других исследователей.
Основные положения, выносимые на защиту:
—
разработанные
теоретические
положения,
основанные
на
термодинамическом (энергетическом и энтропийном), дислокационном и
термоактивационном подходах к процессу изнашивания материалов при
внешнем трении, которые позволили получить аналитические
зависимости и предложить критерии для оценки износостойкости
трибосопряжений;
—
созданные
новые
устройства
и
методику
проведения
экспериментальных исследований;
— результаты экспериментальных исследований энергетического и
энтропийного балансов процесса абразивного изнашивания, позволившие
установить
глубокую
взаимную
связь
изнашивания
с
термодинамическими характеристиками процесса трения;
—
разработанные
на
основе
проведенных
теоретических
и
экспериментальных исследований методы расчета износостойкости
трибосопряжений.
Научная новизна работы:
— впервые проведены
теоретические исследования процесса
разрушения поверхностных слоев металлических материалов при внешнем
трении с использованием термодинамических, дислокационных и
термофлуктуационных
представлений,
позволившие
увязать
износостойкость
трибосопряжений
с
термодинамическими
характеристиками
процесса
трения
и
изнашивания.
Получены
аналитические зависимости, являющиеся научно-методологической
основой прогнозирования и оценки работоспособности трибосопряжений
и предложен ряд новых, термодинамических критериев для оценки
изнашивания:
▪ критическая плотность внутренней энергии;
▪ критическая плотность производства энтропии, связанной с
необратимыми процессами в поверхностных слоях пары трения;
▪ энергоемкость материала при пластической деформации;
▪ коэффициент деформационного упрочнения;
— на основе синтеза молекулярно-кинетического и энтропийного
подходов к проблеме трения и изнашивания получена аналитическая
зависимость для оценки износостойкости трибосопряжений, процесс
фрикционного взаимодействия которых не осложнен химическим
6
воздействием окружающей среды (в частности, для оценки
износостойкости рельса);
— теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены новые
свойства и закономерности поверхностного разрушения металлических
материалов, заключающиеся в том, что разрушение происходит по мере
накопления в деформируемых объемах пары трения плотности
внутренней энергии и плотности энтропии предельной (критической)
величины. Показано, что эти характеристики следует принимать в
качестве критериев для оценки износостойкости, т. к. они не зависят от
режимов трения и являются константами материала, численно
совпадающими с его теплофизическими свойствами, соответственно, с
теплотой плавления и энтропией плавления материала.
Научная и практическая значимость результатов исследования
.
Результатом
проведенных
теоретических
и
экспериментальных
исследований явилась разработка инженерных методов расчета
износостойкости трибосопряжений на стадии проектирования и
изготовления, что позволяет получить существенный экономический
эффект и повысить качество подготовки инженеров.
Полученные теоретические и экспериментальные результаты
исследования являются определенным вкладом в развитие науки о трении
и износе в машинах.
Реализация результатов.
Разработанная автором «Методика
оценки эксплуатационной стойкости термоупрочненных рельсов» издана
как нормативный документ и принята к внедрению Государственной
инспекцией Республики Узбекистан по надзору за безопасностью
железнодорожных
перевозок
«УЗГОСЖЕЛДОРНАДЗОР»
и
рекомендована для использования предприятиями магистрального и
промышленного железнодорожного транспорта с целью проведения
экспертной оценки эксплуатационной стойкости предлагаемых для
приобретения рельсов в условиях тендера.
Научные разработки внедрены в Государственной Акционерной
Железнодорожной Компании «УЗБЕКИСТОН ТЕМИР ЙУЛЛАРИ».
Экономический эффект от внедрения результатов исследования на
строящемся участке железной дороги Ташгузар - Кумкурган составил 4,06
млрд. сум.
Материалы методического пособия «Термодинамический метод
расчета износостойкости деталей машин» включены в учебные
программы дисциплин: «Износостойкость машин», «Износостойкость и
ресурс машин» для магистров по специальностям: «Подъемно –
транспортные машины», «Строительные и дорожные машины» в
Ташкентском институте инженеров железнодорожного транспорта и
«Тракторы» и «Сельскохозяйственные машины и оборудование» в
7
Ташкентском Государственном Техническом Университете, а также в
Андижанском Государственном Университете.
Апробация работы
. Основные положения работы докладывались
на: Всесоюзной конференции по трению и изнашиванию. Киев, 1970 г.;
Международной конференции по подшипникам скольжения. ЧССР,
Высокие Татры, 1972 г.; Всесоюзной конференции по трению, износу и
смазке. Ташкент, 1975 г.; Международном симпозиуме по посадкам
скольжения. ЧССР, Братислава, 1977г.; VII Всесоюзном симпозиуме по
механохимии и механоэмиссии твердых тел. Ташкент, 1979 г.; V
Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, Алма – Ата,
1981 г.; II Всесоюзном съезде по теории механизмов и машин. Одесса,
1982 г.; Международной конференции «Трение, износ и смазочные
материалы». Ташкент, 1985 г.; I конференции «Сильно возбужденное
состояние в кристаллах». Томск, 1988 г.; конференции «Триботехника
машиностроению». Москва, 1989 г.; конференции «Научные и прикладные
проблемы теории трения и изнашивания» Харьков, 1989 г.; конференции
«Структурная самоорганизация и оптимизация триботехнических
характеристик конструкционных и инструментальных материалов».
Тернополь, 1990 г.; конференции «Современные методы термической,
химико – термической обработки и поверхностного упрочнения деталей
машин и инструмента.» Ташкент, 1990 г.; конференции «Триботехника -
машиностроению». Нижний Новгород, 1991 г.; Международной
конференции «Проблемы механики и сейсмостойкости сооружений».
Ташкент. 2004 г.; конференции «Актуальные проблемы развития наземной
транспортной системы». Ташкент. 2004 г.; III Международном
симпозиуме по транспортной триботехнике: «Повышение износостойкости
и долговечности машин и механизмов на транспорте».— С - Петербург,
2005 г.; на Республиканской научно-технической конференции «Новые
технологии получения композиционных материалов на основе местного
сырья и их применение в производстве»- Ташкент, 2005 г.; на
объединенном научном семинаре кафедры «Основы конструирования
машин» ТашИИТа и НТК «Фан ва тараккиет» при ТГТУ, 2006г..
объединенном семинаре «Теория механизмов и машин хлопкового
комплекса им. Х.Х. Усманходжаева» Института механики и
сейсмостойкости сооружений им. М.Т. Уразбаева АН РУз 2007 г., научном
семинаре НТК «Фан ва тараккиет» при ТГТУ, 2007 г., научно-техническом
семинаре Ташкентского автомобильно-дорожного института, 2007 г.,
научном семинаре при факультете «Автоматизация и механизация
водного хозяйства» Ташкентского института мелиорации и ирригации,
2007 г.
Опубликованность
результатов.
Основное
содержание
диссертационной работы опубликовано в 56 работах, в том числе 1
учебном пособии, 1 брошюре, 18 журнальных статьях, в 34 сборниках
8
печатных трудов и тезисов научных конференций и получено 2
свидетельства в Патентном Ведомстве Республики Узбекистан.
Структура и объем диссертации
. Диссертационная работа состоит
из введения, шести глав с выводами, общих выводов, списка литературы
и приложений. Основное содержание изложено на 266 страницах
компьютерного текста и включает 33 рисунка, 18 таблиц, список
литературы из 260 наименований, а также приложения на 71 страницах.
Автор посвящает работу памяти своего учителя профессора
Федорова В.В.
и выражает глубокую признательность и благодарность
академику АН РУз,
Негматову С. С.
за научные консультации, а также
заведующему кафедрой «Основы конструированеия машин» ТашИИТа
академику АН РУз
Глущенко А.Д
. и заведующему НИЛ «Трибология и
механохимия гетерогенных систем» НТК «Фан ва тараккиет» при
ТашГТУ д.т.н., профессору
Джумабаеву А. Б.
за ценные советы и
критические замечания в процессе выполнения данной диссертации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении
обосновывается актуальность проблемы, раскрывается
научная новизна полученных результатов и степень внедрения предложен-
ных разработок и рекомендаций диссертации.
В первой главе
дается анализ состояния проблемы оценки
изнашивания трибосопряжений.
Обстоятельные исследования в области трения и изнашивания
выполнены отечественными учеными: в условиях сухого трения для пар
металл-хлопок - академиком Махкамовым Р.Г.; для пар полимер-хлопок -
академиком Негматовым С. С.; для трущихся пар скольжения машин,
применяемых в хлопководстве - академиком Юлдашевым Ш.У.; в
условиях гидродинамического взаимодействия поверхностей трения -
академиком Лебедевым О.В.; по моделированию динамики процесса
изнашивания рабочих органов и приводов хлопкоуборочных машин
академиком Глущенко А.Д.; по выявлению механизма трения и
изнашивания композиционных полимерных материалов с хлопком и его
относительной
механической
повреждаемости
-
профессором
Джумабаевым А. Б.; в условиях резания - профессором Балабековым М.Т.;
по повышению износостойкости режущих инструментов - профессором
Аликуловым Дж. Е.; в парах металл-металл с абразивной прослойкой -
профессором Икрамовым У.А.; по износостойкости пористых материалов
– профессором Мошковым А.Д,; по повышению износостойкости деталей
машин термической обработкой – профессором Мухамедовым А. А.; по
наплавке износостойких сплавов – профессором Меликовым В.В.; по
технологии восстановления деталей машин – профессором Кадыровым
С. М.; по прогнозированию износостойкости машин на стадии
9
проектирования – профессором Махкамовым К. Х.; по системному
подходу в трибологии – профессором Левитиным.М.А.; по повышению
износостойкости тяжелонагруженных зубчатых передач - Иргашевым А.;
по повышению износостойкости рабочих органов землеройных машин –
д.т.н. Шукуровым Р. У.; по моделирование динамики процесса
изнашивания при взаимодействии колеса с рельсом – д.т.н. Файзибаевым
Ш.С. Эти исследования являются закономерным продолжением развития
науки о трибологии видных зарубежных ученых: Айнбиндера С.Б.,
Арчарда Д.Ф., Белого В.А., Буше Н.А., Гаркунова Д.Н., Кащеева В.Н.,
Клейса И.Р., Костецкого Б.И., Крагельскоого И.В., Кузнецова В.Д.,
Погодаева Л.И., Сорокина Г.М., Тенебаума М.М., Федорова В.В.,
Федорова С.В., Хрущева М.М., Чичинадзе А.В. и др.
Показано, что в настоящее время в изучении трения и изнашивания
наметилось три направления: механо-математическое, металлофизическое
и термодинамическое (энергетическое и энтропийное). Основное
внимание в работе уделено анализу термодинамических критериев оценки
изнашивания.
Специфические условия работы материала пары трения, связанные с
многократным взаимодействием материала на дискретных пятнах
контакта при тангенциальных перемещениях, сопровождается затратами
механической энергии и превращением ее в другие виды энергии. При
этом проявляются процессы самоорганизации, которые подчиняются
законам термодинамики необратимых процессов, и выражаются в том, что
материал поверхности трения «внутренне сопротивляется» изнашиванию
и соответственно приспосабливается таким образом, чтобы снизить
энергетические затраты и износ.
В связи с этим в последнее время отечественными и зарубежными
учеными интенсивно развивается термодинамический (энергетический и
энтропийный) подход к описанию процессов разрушения при трении. Это
направление представляет определенный интерес с точки зрения
возможности анализа процессов разрушения поверхностных слоев
трущихся
материалов
с
позиций
фундаментальных
законов
термодинамики, теории дислокаций и молекулярно - кинетических
представлений о прочности и разрушении твердых тел. Этот подход
является одним из возможных путей получения математического
описания процессов разрушения и прогнозирования износостойкости
материалов и деталей узлов трения.
Исследований по определению энергетического баланса при трении
выполнено немного: (Кузнецовым В. Д. с Бессоновым Н. А. , Костецким
Б. И. с Линником Ю. И. и Гецевичем Э. Г.). К сожалению, в этих
исследованиях энергетический баланс процесса трения был просто
«сфотографирован», и авторы количественно не увязали его с
закономерностями изнашивания материалов.
10
Анализ энергетических критериев, предложенных различными
авторами для оценки изнашивания, показал, что чаще всего в качестве
такового принимают работу, затраченную на образование единицы массы
или (объема) продуктов износа, хотя называют его по-разному: удельная
работа износа, мнимая плотность энергии трения, специфическая энергия
царапания и др. Однако, как считают Давиденков Н.Н. и Хрущов М. М.,
нельзя отождествлять работу трения с работой разрушения, т. к. работа
разрушения составляет очень малую долю работы трения и поэтому, за
редким исключением, между ними не может быть количественной
зависимости.
Анализ литературных источников также показал, что исследования
фрикционного
взаимодействия
с
использованием
энтропийных
представлений носят в основном теоретический характер. Прямые
экспериментальные исследования энтропийного баланса процесса трения
и изнашивания в литературе отсутствуют. Предлагаемые энтропийные
критерии разрушения металлических материалов при трении не получили
достаточного экспериментального обоснования и являются спорными.
Мало уделяется внимания кинетике изменений, происходящих в
поверхностных слоях пары трения. Термодинамический и кинетический
подходы к изучению процессов трения и изнашивания используются
обособленно, в отрыве друг от друга. Их синтез и применение
чрезвычайно важны и перспективны, в особенности при изучении
процессов самоорганизации при трении с позиций синергетики.
На основе анализа литературных источников сформулированы цель и
задачи исследования.
Вторая глава
посвящена теоретическому анализу процесса
изнашивания материала при внешнем трении с использованием
термодинамического подхода, (включающего энергетические, энтро-
пийные и кинетические представления), в основу которого положены:
— законы классической и неравновесной термодинамики;
— дислокационные представления о процессе пластической деформации
и разрушении твердых тел;
— физические представления о пластической деформации как
конкуренции двух взаимосвязанных и противоположных процессов:
упрочнения и разупрочнения;
— термодинамическая теория прочности, предложенная профессором
В. В. Федоровым;
— кинетические представления о прочности и разрушении твердых тел.
Вопрос расчетно-аналитической оценки изнашивания материалов при
внешнем трении является частью общей проблемы прочности и
разрушения твердого тела.
По
современным
молекулярно-кинетическим
представлениям
разрушение реальных материалов является процессом, развивающимся во
11
времени независимо от природы материала и характера его нагружения.
При этом окончательному разрушению предшествует постоянное
накопление в материале очагов разрушений – элементарных дефектов и
повреждений (субмикроскопических нарушений оплошности). Долгое
время считалось, что вся механическая энергия превращается в тепло.
Однако сейчас считается установленным, что часть ее задерживается в
материале в виде скрытой энергии деформаций, затрачиваемой на
образование дефектов кристаллической решетки. По мере развития
процесса деформирования количество дефектов увеличивается, они
развиваются в микро- и макротрещины и приводят к разрушению
материала.
Процесс изнашивания материалов при внешнем трении обычно
рассматривают как процесс пластической деформации и разрушения,
характеризующийся локализацией в поверхностных слоях материала пары
трения. Этот процесс осуществляется в условиях сложного,
неоднородного и переменного во времени напряженно-деформированного
состояния приповерхностных слоев материала.
Рассматривая процесс изнашивания материалов как частный случай
пластической деформации и разрушения, обусловленный конкуренцией
двух одновременно протекающих и взаимосвязанных процессов:
упрочнения и разупрочнения, термодинамические представления о
прочности и разрушении распространены нами на процессы изнашивания
при внешнем трении.
Необратимо поглощаемую энергию деформаций поверхностных слоев
материала пары трения можно разделить на две части (рис.1).
Первая сравнительно небольшая часть (до 30%) обусловлена
накоплением в деформируемых объемах материала и продуктах износа
скрытой энергии
∆U
e
, которая связана с зарождением и задержкой в
деформируемых объемах различного рода дефектов (дислокаций,
вакансий и др.) и повреждений (субмикроскопических нарушений
сплошности) и их развитием в микро- и макротрещины критического
размера. Скрытая энергия
∆U
е
характеризует упрочненное состояние
материала.
Многочисленные исследования показывают, что в процессе трения
поверхностные слои упрочняются (наклепываются) до предела и, когда
исчерпывается способность материала к пластической деформации,
появляются трещины, которые, разрастаясь, смыкаются и образуют
частицы износа, т.е. скрытая энергия
∆U
е
является мерой
повреждаемости материала и ответственна в основном за разрушение
.
Вторая значительная (до 70%) часть работы трения вследствие
колебательного движения и процессов возврата (уничтожения) дефектов и
повреждений необратимо трансформируется в тепло
Q
, т. е. связана с
12
тепловым эффектом трения. Тепловая энергия характеризует разупроч-
ненное состояние материала. Часть этой энергии
Q
Т
рассеивается в
окружающую среду за счет теплообмена. Другая часть
∆U
Т
, повышая
температуру деформируемых объемов материала и продуктов износа,
обусловливает ослабление сил межатомных связей, следовательно, также
как и скрытая энергия деформаций, является мерой повреждаемости
материала.
Энергетическая модель процесса трения и изнашивания
Рис.1
Как скрытая энергия
∆U
е
,
так и тепло внутреннего теплообмена
∆U
Т
(будем называть
∆U
Т
тепловой составляющей внутренней энергии),
изменяют внутреннюю энергию деформируемых объемов материала
∆U
.
В соответствии с I законом термодинамики процесс деформирования
поверхностных слоев материала пары трения можно представить
соотношением:
W = Q + ∆U
e
, (1)
где
W - работа трения; Q - тепловой эффект трения;
∆U
e
- изменение скрытой энергии тела.
13
Согласно термодинамической теории прочности, предложенной
Федоровым В. В., за критерий прочности принимается плотность
накапливаемой в деформируемых объемах материала внутренней энергии,
критическое значение которой
u*
не зависит от условий деформирования
и является физической константой материала
u(r,t) = u(r,0) + ∆u(r,t)
u* = const,
(2)
где
u(r,t)
- плотность внутренней энергии в локальных объемах
материала в момент времени деформирования
t; u(r,0)
- исходная
плотность внутренней энергии в локальных объемах материала
(t = 0),
характеризующая наследственные свойства материала, предысторию его
нагружения;
∆u(r,t)
- изменение плотности внутренней энергии в локаль-
ных объемах материала за время деформирования
t ; r
- параметр,
характеризующий, координаты локальных объемов материала.
По существу, термодинамический критерий совпадает с критерием
разрушения, рассматриваемым в теории дислокаций, когда за критерий
разрушения принимается плотность (количество) дефектов. При
энергетическом подходе за критерий разрушения принимается плотность
энергии этих дефектов (плотность внутренней энергии). Более того,
энергетический критерий учитывает еще и термическое разупрочнение
материала за счет процесса саморазогрева.
Интерпретируя процесс трения и изнашивания с позиций
энергетического подхода, нами получена формула для оценки скорости
объемного изнашивания о закрепленные абразивные частицы при
стационарных
условиях
трения,
не
осложненных
химическим
взаимодействием с окружающей средой
и
V
=
T
0
u
-
u
*
u
fPV
, (3)
где
и
V
- скорость объемного изнашивания;
δ
– относительная величина
скрытой энергии деформаций;
f
- коэффициент трения;
Р
- нормальная
нагрузка;
V
– скорость скольжения;
u*
- критическая плотность
внутренней энергии;
∆u
0
– плотность внутренней энергии в исходном
состоянии;
∆u
Т
– плотность тепловой составляющей внутренней энергии.
Показано, что из полученного выражения (3) при определенных
условиях вытекают известные зависимости В. Д. Кузнецова и М. М.
Хрущева, выведенные ими по результатам экспериментальных
исследований частного характера. Рассмотрены гипотезы энергетического
подобия механического и термического разрушения материалов,
предложенные различными авторами.
Рассматривая
процессы трения и изнашивания с позиций
термодинамики необратимых процессов, следует отметить, что пара
трения типичный пример открытой термодинамической системы, которая
14
обменивается теплом (тепловой эффект трения) и веществом (продукты
износа, физико-химическое взаимодействие среды) с окружающей средой.
Для таких систем полное приращение энтропии системы
dS
распадается
на производство энтропии
d
i
S
, вызываемое изменениями внутри
системы, и поток энтропии
d
e
S
, возникающий за счет взаимодействия с
внешней средой, (рис.2) который включает обмен теплом
d
eq
S
, веществом
(продуктами износа)
d
ev
S
и химическое взаимодействие с окружающей
средой
d
eμ
S
dS = d
i
S
+ d
e
S
=
d
i
S + d
eq
S
+
d
ev
S
+
d
eμ
S
(4)
Энтропийная модель процесса трения и изнашивания
Рис. 2
При трении в деформируемых поверхностных слоях материала
образуются дефекты кристаллического строения, которые искажают
кристаллическую решетку, вызывая разупорядоченность в структуре
металлических сплавов. Мерой хаоса, беспорядка в природе, как известно,
является энтропия. Поэтому процесс пластической деформации и
разрушения при изнашивании можно оценить изменением энтропии.
В качестве критерия для оценки износостойкости материала нами
предлагается критический уровень (плотность) энтропии
s
*
,
значение
которого для определенного материала является величиной, зависящей
только от его физико-химической природы
s (t) = s
ok
+ s
ов
+∆s
ip
s
*
= const
,
(5)
15
где
s
(t)-
плотность энтропии материла в момент времени
t
;
s
ok
-
начальная плотность конфигурационной энтропии, связанной с
дефектами исходной структуры материала;
s
oв
- начальная плотность
вибрационной энтропии, связанной с
температурой окружающей среды;
∆s
ip
-
приращение плотности энтропии к моменту времени
t; s
*
-
критическая плотность энтропии материала.
Критическая плотность энтропии
s
*
представляет из себя энтропию,
которая накапливается в единице объема материала к моменту
разрушения, т. е. характеризует критическую разупорядоченность в
структуре материала поверхности трения.
Получена аналитическая зависимость для оценки изнашивания при
стационарных условиях абразивного изнашивания
V
и
=
)
s
-
s
-
s
(
T
fPV
ok
ов
*
f
, (6)
где
T
f
–температура на поверхности трения.
Условие прочности ( 5 ) и аналитическое уравнение ( 6 ) для оценки
абразивного изнашивания при установившемся режиме трения,
полученные с помощью энтропийного подхода, отличаются от
соответствующих зависимостей, полученных при энергетическом подходе
(2) и (3), когда за критерий изнашивании принимается внутренняя энергия
материала
u
*
, на величину множителя
1 / T
f
.
С позиций макроскопических, развиваемых в работах И.В.
Крагельского, Н. М. Михина, Н. Б. Демкина, износ – усталостный
процесс, т. к. разрушение поверхности трения происходит в результате
многих актов деформации на фактических пятнах контакта. С позиций
микроскопических,
согласно
молекулярно
–
кинетическим
представлениям, развиваемым в работах Журкова С. Н., Ратнер С. Б.,
Бартеньева Г. М., Федорова В. В., износ – это разрыв химических связей
за счет флуктуаций при многих актах теплового движения.
На основе синтеза энтропийного и кинетического подходов к
проблеме изнашивания получена аналитическая зависимость для оценки
изнашивания трибосопряжений в условиях трения, не осложненных
химическим
взаимодействием
с
окружающей
средой
•
и
f
0
e
2
i
f
f
0
II
i
f
0
II
i
D
f
V
*
s
+
kT
2
u
+
sh
kT
)
T
(
U
-
exp
)
T
(
U
h
kN
2
=
T
PVf
, (7)
где
k
– постоянная Больцмана;
h
– постоянная Планка;
u
0
е
-
плотность скрытой энергии элементарного объема;
0
- шаровая часть
тензора напряжений:
i
- интенсивность напряжений;
U
II
i
- энергия
активации диффузии дефектов;
N
D
– количество атомов, испытывающих
деформацию.
16
Учитывая, что задача о напряженном состоянии на контакте при
качении цилиндра по плоскости решена Савериным М. М., в условиях
упругого контакта при скольжении и качении – Непомнящим Е. Ф., в
условиях пластического контакта – Харачем Г. М., при больших
значениях коэффициента трения - Кузнецовым Е. А., для условий
перекатывания колеса по рельсу - Шахунянцем Г. М., зависимость (7)
может быть использована для расчета трибосопряжений. В данной работе
эта задача решена для расчета износа рельса.
В третьей главе
описаны методика, экспериментальная установка, и
программа
экспериментальных
исследований
энергетического
и
энтропийного баланса процесса трения металлических материалов при
изнашивании о закрепленные абразивные частицы.
Разработанная методика предусматривает возможность эксперимен-
тального изучения закономерностей изнашивания материалов, а также
закономерностей
изменения
составляющих
энергетического
и
энтропийного балансов процесса абразивного изнашивания при
стационарном режиме работы трибосопряжения.
Схема устройства для замера теплового эффекта трения
1 – бак, 2 – трубопровод, 3 – поплавковая камера, 4- калиброванное
отверстие, 5 – ванночка – калориметр, 6 – термопара, 7 – потенциометр.
Рис. 3
17
Экспериментально определялись мощность трения
•
W
и мощность
теплового эффекта трения
•
Q
.
Скорость изменения скрытой энергии
деформаций
e
•
U
определялась прямым (одноступенчатым) методом, осно-
ванном на непосредственном применении I закона термодинамики (1).
Для проведения экспериментальных исследований была разработана и
изготовлена специальная установка на базе головки машины трения
МТ62М, позволяющая с высокой точностью производить замеры момента
трения и линейного износа. С целью повышения точности замера момента
трения, предпринята модернизация головки трения МТ62М и
предусмотрена тарировка устройства для замера момента трения. При
доверительной вероятности 0,95 ошибка в замере момента трения
составила 0,42%.
Основная схема узла трения — вал-вкладыш. В качестве контр тела
использован алмазный круг.
Для определения мощности теплового эффекта трения использован
принцип проточного калориметра. Головка машины трения (рис.3)
оборудовалась ванночкой 5, через которую осуществлялся проток масла с
постоянным расходом G.
Во входном и выходном штуцерах, которыми ванночка 5 подклю-
чалась
к
маслопроводу
2,
устанавливалась
5-ти
спайная
дифференциальная термопара 6. Замер термо-ЭДС, определяющей
перепад значений температур масла на входе и выходе из ванночка 5,
осуществлялся потенциометром 7 типа Р37.
С целью получения большей точности устройство замеров тепловых
потоков подвергалось тарированию при помощи специального
нагревателя. Обработкой тарировочных данных методом наименьших
квадратов получали зависимость
Q = φ (G, ∆П)
при различных скоростях
вращения вала. Мощность теплового эффекта определялась по
произведению
(G ∆П),
замеренному в процессе экспериментальных
исследований и по зависимости
Q = φ (G, ∆П)
, полученной при
тарировании. Точность измерения мощности теплового эффекта
Q
при
доверительной вероятности 0,95 составила 0,3%.
Точность измерения линейного износа составила ±3-5 мкм.
Замер температуры поверхности трения осуществлялся методом
разомкнутой термопары. Точность измерения температуры — ±2
0
С.
Для проведения исследований были выбраны металлические сплавы
(стали У8А, 40Х, серый чугун СЧ 18 и бронза ОЦС 3-12-5) в отожженном
состоянии, характеризующиеся различным химическим составом,
физически и механическими свойствами.
Для каждого из материалов замеры производились при пяти
различных значениях удельных нагрузок при постоянной скорости сколь-
18
жения. Затем устанавливалась следующая ступень скорости скольжения и
производились замеры при тех же самых значениях удельных нагрузок.
Значения удельных нагрузок изменялись:
• для сталей 40Х и У8А……………………. (8,163 – 13,61)∙10
5
, Па;
• для чугуна СЧ 18 …………………………… (6,8 - 13,61)∙10
5
, Па;
• для бронзы ОЦС З-12-5…………………… (2,14 - 8,44)∙10
5
, Па.
Ступени скоростей скольжения имели следующие значения:
• для сталей 40Х, У8А, чугуна: ….. 0,84; 1,03; 1,33; 1,65; 2,04 м/с;
• для бронзы 0ЦС З -12-5 :……………... 0,69; 0,84; 1,03;1,33 м/с.
В четвертой главе
представлены результаты экспериментальных
исследований энергетического и энтропийного балансов и их обсуждение.
Экспериментальные
данные
комплексных
исследований
закономерностей
абразивного
изнашивания
и
составляющих
энергетического и энтропийного балансов процесса трения позволили
провести анализ взаимной связи износа с термодинамическими
характеристиками процесса внешнего трения. С этой целью рассчитаны и
сопоставлены абсолютные, относительные (отнесенные к работе трения)
и удельные (отнесенные к объему продуктов износа) величины
энергетического и энтропийного балансов процесса абразивного
изнашивания, предельных критических значений плотности внутренней
энергии и плотности энтропии изнашиваемого материала.
Зависимость составляющих энергетического баланса процесса
абразивного изнашивания от удельной нагрузки
р
при постоянной
скорости
V = 0.84 м/с
(сталь 40Х)
Рис.4
19
Установлено, что абсолютная величина работы трения
W
, а также
соотношения между основными ее составляющими: количеством
выделившегося тепла
Q
и количеством скрытой энергии деформаций
∆U
е
зависит не только от физико-химической природы материала, но и от
условий трения.
В работе проведены корреляционный и регрессионный анализы
экспериментальных данных и выявлены закономерности изменения
мощности трения, мощности теплового эффекта трения, скорости скрытой
энергии и скорости объемного изнашивания исследованных материалов от
удельной нагрузки и скорости скольжения.
Экспериментальные исследования показали, что температура на
поверхности трения изменяется незначительно и не превышает Т
f
<343
0
К.
Относительная величина теплового эффекта трения
•
•
W
Q
=
,
показывает
какая часть от общей работы трения превращается в тепло. Ее величина
составила 94 – 98,5 % от работы трения
W
, т. е. значительная часть
работы трения превращается в тепло
Q
и рассеивается в окружающую
среду за счет теплообмена (рис. 5).
Зависимость удельной работы трения
w
от относительных величин
теплового эффекта трения
и скрытой энергии
(бронза ОЦС 3-12-5)
при скоростях скольжения:
V
1
= 0.69 м/с; V
2
= 0,84 м/с; V
3
=1,03 м/с; V
4
= 1.33 м/с.
Рис. 5
20
Относительная величина скрытой энергии
•
•
e
W
U
=
характеризует
степень упрочнения (наклепа) поверхностных слоев материала и
продуктов износа и показывает какая часть работы трения аккумулируется
в деформированных объемах пары трения в виде различных дефектов и
повреждений. Исследования показали, что относительная величина
скрытой энергии деформаций
составляет незначительную часть от
работы трения и колеблется в пределах от 1,5 - 7 % в зависимости от
материала образца и условий трения.
Соотношение между величинами
и
β
определяется конкуренцией
двух одновременно протекающих и противоположных процессов:
упрочнения и разупрочнения (рис. 5).
Зависимость удельных и относительных значений энергетических
характеристик процесса абразивного изнашивания стали 40Х от условий
трения (удельной нагрузки
р
и скорости скольжения
V
)
Рис. 6
21
Удельная величина (плотность) работы трения
•
и
•
и
V
W
=
V
W
=
w
,
характеризующая количество работы, которое необходимо затратить на
разрушение единицы объема материала. Это мера работоспособности
материала. Чем больше удельная работа трения, тем больше необходимо
затратить работы на разрушение единицы объема материала, тем выше его
износостойкость и наоборот.
Анализ взаимной связи скорости изнашивания и удельной работы
трения, показал, что в общем случае однозначной зависимости между
указанными характеристиками процесса трения и износа не существует и
поэтому однозначной количественной связи между ними быть не может.
Величина плотности работы трения, изменяясь в широких пределах в
зависимости от условий трения (удельной нагрузки и скорости скольже-
ния), сама является функцией процесса изнашивания. Следовательно,
плотность работы трения не может быть принята в качестве критерия
разрушения материала при трении, как это предлагается рядом авторов
(рис.6).
Интересно отметить, что абсолютные значения плотности работы
трения
w
в несколько раз превышают значения энергии необходимой для
расплавления единицы объема изношенного материала, т. е. для износа
некоторого объема материала необходимо затратить энергии в 10-50 раз
больше, чем ее необходимо для расплавления этого объема. Это
свидетельствует о том, что не вся работа трения идет на разрушение
материала, а только небольшая доля от общей работы трения.
Удельная величина (плотность) теплового эффекта трения
и
Т
V
Q
=
q
характеризует количество выделившегося в процессе трения тепла,
приходящееся на единицу объема изношенного материала, и служит
мерой термического разупрочнения материала.
Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что
все рассмотренные выше абсолютные (
W, Q, ∆U
е
), относительные (
β, δ
)
и удельные
(
w, q )
характеристики
процесса абразивного изнашивания
зависят не только от физико-химической природы материала, но и в
значительной степени от условий (удельной нагрузки
р
,
скорости
скольжения
V
), при которых протекает процесс трения, т. е. они сами
являются функциями процесса изнашивания. Поэтому они не могут быть
приняты в качестве критерия для оценки изнашивания (рис.4 - 6).
Экспериментальные исследования показали, что только величина
плотности внутренней энергии
∆u
не изменяется при изменении
условий изнашивания.