Файл: Комбалов, В. С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ.pdf

На фиг. 47 приведены данные эксперимента по определению зависимости коэффициента трения от нормальной нагрузки для различных 'видов отделочной обработки твердого стального контртела. Образец прямоугольной формы из резины скользил по поверхностям стального контртела, полученным в результате абразивной доводки (а) и алмазного выглаживания (б), имею­ щим одинаковое значение параметра 7?а=0,12 мкм, что соответ­ ствует V10. Кривые получены для трения: 1 — без смазки; 2— с керосином; 3 — с бензином; 4 — со смазкой ЦИАТИМ-201; 5 —■ с вазелиновым маслом. При одинаковых условиях контактирова­ ния (наличие или отсутствие смазки) коэффициент трения зави­ сит от критерия шероховатости А. Поскольку гладкость поверх­ ности после алмазного выглаживания выше, чем после абразив­ ной доводки (что характеризуется меньшим значением А для одних и тех же значений /?а), то во всем диапазоне нагрузок зна­ чение коэффициента трения для выглаженной поверхности будет меньше, чем для доведенной, как при наличии, так и при отсутст­ вии смазки [68]. Учет шероховатости комплексным критерием А позволяет аналитически прогнозировать ожидаемое значение ко­ эффициента трения.

§ 4. Расчет сближения и контактной жесткости плоского стыка

Для оценки контактной жесткости параметры Ra и Rz по ГОСТу 2789—59 — недостаточны [38]. Шероховатые поверхности с одина­ ковой высотой неровностей, но полученные различными способа­ ми технологической обработки, как было показано нами ранее (гл. III, § 5), могут по-разному сопротивляться действию сил, сжимающих соприкасающиеся микронеровности. Контактная

94

жесткость зависит от геометрических характеристик отдельных неровностей (радиусы закругления выступов профиля, опорная длина профиля).

Рассмотрим влияние комплексного критерия шероховатости А на контактную жесткость стыков [38]. Коэффициент контакт­ ной жесткости стыка определяется -соотношением [89]

где dP и dh — приращения удельного давления и величины кон­ тактного сближения поверхностей.

Для случая упругого взаимодействия контактируемых поверх­ ностей (контактирование шероховатой поверхности с гладкой) величина относительного сближения, выраженная в долях сред­ него радиуса закругления выступов профиля, определяется по формуле:

С учетом уравнения (VI.11) можно написать:

на основании формул (VI.11) и (VI. 13), получим коэффициент контактной жесткости:

для упругого контакта

Формула (VI. 14) находится в согласии с исследованиями Э. В. Ры­ жова. Приведем для сравнения данные Э. В. Рыжова, где показа­ но влияние прочностных характеристик и микрогеометрии на контактную жесткость (табл. 33).

Т а б л и ц а 33

где сгт— предел текучести, — микротвердость поверхностного слоя.

Увеличение этих характеристик приводит к увеличению ( + ) или уменьшению (—) контактной жесткости.

Для пластического контакта

95

Проведенные авторами [38, 71] исследования при контактиро­ вании стальных образцов чистоты поверхности (ГОСТ 9378—60) в паре с полированными образцами из материала Д-16 показали, что образцы, изготовленные по V6, при различных видах техно­ логической обработки имеют существенное различие в контакт­ ной жесткости вследствие неодинаковой величины комплексного критерия А. В § 5 главы III на фиг. 24 приведены результаты эксперимента.

Реальные поверхности характеризуются волнистостью и мак­ роотклонениями формы. По существу предложенные зависимо­ сти также могут быть применены и к учету волнистости при заданном законе распределения волн. Процесс сближения по­ верхностей будет обусловливаться как деформацией микронеров­ ностей, так и деформацией волн. В этом случае величина сбли­ жения поверхностей будет определяться как сумма сближений, обусловленных соответственно шероховатостью и волнистостью поверхности. Более подробно этот вопрос рассмотрен в рабо­ тах [20, 88, 89].

§ 5. Расчет интенсивности изнашивания

Как отмечено в главе I, в некотором интервале значений пара­ метров шероховатости износ сопряжений описывается кривой, имеющей минимум. Это обусловлено молекулярно-механической природой трения и механизмом усталостного изнашивания. Для гладких поверхностей увеличивается молекулярная слагаемая силы трения, для грубых поверхностей — механическая (дефор­ мационная) слагаемая. Минимальный износ соответствует рав­ новесной шероховатости.

При взаимном внедрении неровностей шероховатых поверх­ ностей многократно возникают напряжения и деформации, кото­ рые зависят от условий нагружения, сил трения, упругих и пла­ стических свойств материалов, форм и размеров неровностей. Возникновение напряжений и деформаций, многократно повто­ ряясь, приводит к разрушению на отдельных участках трущих­ ся поверхностей и к отделению частиц материала. Такой процесс

Основная расчетная формула для оценки интенсивности из­ нашивания имеет вид:

96

где i — удельный износ, представляющий собой количество ма­ териала, отделяющегося с единицы фактической площади каса­ ния Лг при перемещении пятна касания на длину d\

Число циклов п зависит от напряженного состояния и стойкости (прочности) материала поверхности образца и изменяется в ши­ роком диапазоне. Весь расчет по существу сводится к определе­ нию величины п.

Для упругого контакта число циклов (взаимодействий) опре­

k — коэффициент, характеризующий напряженное состояние и зависящий от природы материала. Для хрупких материалов & = 5, для высокоэластичных — k = 3. Для металлов, допускающих воз­ никновение значительных пластических деформаций, но работаю­ щих в упругой области,

k = 1,5 | / 4(13— (г— ***) • (VI.20)

При упругом контакте расчетная формула для оценки интенсив­ ности изнашивания имеет вид [56].

Учитывая полученную нами ранее формулу для расчета кри­ терия А, соответствующего минимальному значению коэффици­ ента трения fmin, можно рассчитать Ihт1п. При прочих равных условиях число циклов до разрушения, определяемое по формуле (VI.19), при fmin будет максимальным, т. е. материал поверхност­ ного слоя будет более износостоек.

Следует отметить, что, в соответствии с термофлуктуационной теорией прочности С. Н. Журкова, износостойкость матери­ ала обратно пропорциональна температуре. В условиях заданной нагрузки наименьшая температура в зоне трения будет обеспе­ чиваться при минимальном значении коэффициента трения. Для этих значений коэффициента трения и температуры соответст­ венно будет иметь место минимальный износ.

97

§6. Расчет и экспериментальное определение оптимальной шероховатости узлов трения

шпиндельных устройств листоправильных машин

Перспективным направлением современного машиностроения является применение в узлах трения новых антифрикционных материалов, обеспечивающих работоспособность последних без дополнительной подачи жидкой или консистентной смазки. Наи­ большее практическое применение заслуживает композитный металло-фторопластовый материал, состоящий из стальной лен­ ты (марка стали 08КП), на которую нанесен металлокерамиче­ ский слой из сферических частиц бронзы ОФ 10-1, в который впрес­ сована смесь из 75% фторопласта и 25% мелкодисперсного дисульфида молибдена. Этот материал используется в узлах, работающих три возвратно-вращательном или поступательном движении с малыми скоростями и высокими удельными нагруз­ ками, а также в тех случаях, когда масло, консистентные и дру­ гие смазки нежелательны, непрактичны или ненадежны, когда температуры слишком высоки или слишком низки для обычных смазок.

Нами проведены исследования по определению влияния па­ раметров шероховатости стальных поверхностей на нагрузоч­ ную способность (металло-фторопласта и износ применительно к условиям работы тихоходных тяжелонагруженных узлов метал­ лургического оборудования (шпиндельные устройства конвейе­ ров, разматывателей рулонов и др.)*. Для тихоходных тяжелогруженных пар трения характерным является низкая скорость относительного скольжения, почти не вызывающая нагрев по­ верхностей трения и высокие удельные нагрузки, обусловливаю­ щие значительные упругопластические или пластические дефор­ мации в местах фактического контакта. При относительном перемещении контактирующих поверхностей различной твердо­ сти (например, сталь — металлофторопласт) происходит пласти­ ческое оттеснение деформируемого материала, которое при определенной глубине внедрения нарушается вследствие обра­ зования застойной зоны заторможенного материала.

Работа тихоходной тяжелонагруженной пары в режиме внешнего трения, исходя из двойственной молекулярно-механи­ ческой природы трения, обусловливается двумя безразмерными критериями: относительной глубиной внедрения h/r и относи­ тельным сдвиговым сопротивлением молекулярной связи гп/сгв [55]. Эти критерии позволяют моделировать процессы испытания материалов и использовать полученные результаты для выбора оптимальных сочетаний пар трения и геометрических и механи­ ческих факторов, связанных с нарушением порога внешнего трения.

* Работа проводилась совместно с А. П. Дорошуком.

98

С целью определения величин h/r и r j a s была использована специальная установка, позволяющая при постепенном плавном внедрении сферического индентора в наклонно установленный плоский образец синхронно регистрировать силу нагружения и сопротивления его перемещению, что позволило определить ха­ рактер изменения составляющих коэффициента трения в зави­ симости от глубины относительного внедрения индентора, а так­ же сдвиговое сопротивление молекулярной связи.

Полученные в результате эксперимента значения молекуляр­ ной составляющей коэффициента трения позволяют вычислить сдвиговое сопротивление молекулярной связи тп = / МОл - Л -

Молекулярная составляющая коэффициента трения опреде­ ляется путем вычитания из общего коэффициента трения дефор­ мационной составляющей: / МОл = / — /деф, где f — общий коэффи­ циент трения, определяемый экспериментально.

Деформационная (или механическая) составляющая коэф­ фициента трения является линейной функцией от h/r и опреде­ ляется на основании соотношения (V.9). Величина h/r зависит от шероховатости контртела, физико-механических свойств ма­ териалов пары и нагрузки. Она определяется по формуле (III.3).

Предел текучести определяется на основании эмпирической зависимости между пределом текучести предельно наклепанного материала и его твердостью НВ [55]: HB = cas, где с — константа;

* Значение Л/г, соответствующее порогу внешнего трения.

99