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

Глава IV

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАСЧЕТА РАВНОВЕСНОЙ ШЕРОХОВАТОСТИ

§ 1. Некоторые расчетные гипотезы при определении равновесной шероховатости

Как было показано нами ранее, при относительном скольжении двух твердых тел на их соприкасающихся поверхностях после завершения процесса приработки устанавливается некоторая воспроизводимая шероховатость, которая не зависит от исходной, а зависит от режима работы пары трения и физико-механиче­ ских свойств фрикционного контакта. Значение величин, оцени­ вающих эту шероховатость, не удалось определить расчетным путем.

На основании предложенной И. В. К^агельским [46, 48[ моле­ кулярно-механической теории трения В. С. Щедрову в 1946 г. [115] впервые удалось получить формулу расчета параметра оптимальной шероховатости Rq для случал стационарного изнашивания. Неко­

торому значению среднего квадратического отклонения профиля R*q соответствует наименьшая интенсивность изнашивания. Для случая, когда одна поверхность изнашивается значительно медленнее другой,

им предложена формула расчета параметра Rq олтимальной шеро­ ховатости менее износостойкой поверхности:

процессе приработки оно должно возрасти до значения Rq\ если же Rq^>Rq, то оно должно уменьшиться до того же значения. Если

[115].

По данным [15], изменение среднего арифметического отклоне­ ния профиля Ra во времени приработки поверхности направляющих

48

металлорежущих станков протекает по гиперболическому закону

где RaK— среднее арифметическое отклонение профиля, изменяю­

щееся в зависимости от времени изнашивания (мкм); t — время при­ работки (час)', Ran— первоначальное среднее арифметическое откло­

нение профиля (мкм)’, К — коэффициент, зависящий от времени приработки, которое, в свою очередь, обусловливается твердостьх образцов, удельным давлением и первоначальным пара­ метром /?ан>

При этом с увеличением твердости материала и разницы между исходным и конечным значениями RaK время приработки

увеличивается, а при увеличении нагрузки — уменьшается [15]. Использовать предложенную зависимость представляется воз­ можным только при экспериментальном определении коэффи­ циента К и времени стабилизации t.

Эмпирическая зависимость (IV.2) требует для ее использо­ вания дополнительных данных, которые определяются экспери­ ментально, что снижает ее практическую ценность и не дает од­ нозначный ответ на вопрос о физической сущности процесса приработки.

В энергетической гипотезе для объяснения явления оптими­ зации шероховатости поверхностей используется диссипативность процесса трения [78, 79]. Так как интенсивность разруше­ ния фрикционных связей, свойства поверхностей и генерируемое тепло при трении взаимосвязаны, то предполагается [79], что естественное течение процесса трения обусловливается принци­ пами минимизации энергии и направлено, в частности, на дости­ жение максимальной энтропии и минимального теплового со­ противления внешней среды.

Таким образом, учитывая физико-механические свойства и теплофизические характеристики пары трения, можно на осно­ вании энергетической гипотезы определить шероховатости при­ работанных поверхностей.

Согласно этой концепции, при завершении приработки воз­ никает устойчивое соотношение между параметрами микрорель­ ефа поверхности трения каждого из тел. Оно обусловлено ме­ ханическими свойствами материалов и генерируемых в телах тепловых потоков, обратно пропорциональных полным тепло­ вым сопротивлениям этих тел. Геометрические параметры ше­ роховатости связаны зависимостью

RaJRa, = (Ц/Г/Г ' (ГгЛт/. (IV.3)

где Rai и Ra2— параметры, характеризующие среднее арифмети­ ческое отклонение профиля шероховатости первого и второго

49

теплоотдачи в данных условиях трения; х и у — коэффициенты, по предварительным данным, имеющие величину 1 и 3 соответстл венно. Эта зависимость имеет место при выполнении следующих условий: отсутствие теплообмена через фрикционный контакт, минимум температуры, при которой рассеивается энергия, и минимум энергетической напряженности фрикционного кон­ такта.

Статистические аспекты исследования воспроизведения ше­ роховатости в процессе трения и изнашивания и ее математиче­ ское моделирование приведены в работах [18, 601. Следует от­ метить, что эти аспекты способствуют раскрытию механизма воспроизведения равновесной шероховатости при трении.

§ 2. Некоторые механизмы образования равновесной шероховатости

Механизм образования микронеровностей при трении в настоя­ щее время изучен недостаточно полно. Это объясняется слож­ ными явлениями и процессами, возникающими на фрикционном

разование геометрии поверхности трения происходит вследствие процессов пластического оттеснения, усталостного разруше­ ния и в некоторых случаях микрорезания и глубинного вы­ рывания.

В процессе трения и изнашивания деталей машин микрогео­ метрия контактирующих поверхностей претерпевает значи­ тельные изменения. При этом наибольшие изменения претерпе­ вает более мягкая из сопряженных поверхностей; ее шерохова­ тость в процессе приработки изменяется в сторону приближения к шероховатости твердого контртела до тех пор, пока не насту­ пит некоторое равновесное состояние, характерное для данных условий трения [95].

Следует различать продольную и поперечную шероховато­ сти, механизм образования которых различен. Профиль соответ­ ствующий сечению, перпендикулярному к направлению относи­ тельного движения, характеризует поперечную шероховатость. Профиль, соответствующий сечению по направлению движения, характеризует продольную шероховатость. Если поверхность не имеет явно выраженного направления рисок, то продольная и поперечная шероховатости совпадают [20].

Продольная шероховатость зависит от механических свойств контактирующих тел, нагрузки, действующей на отдельные

50

микронеровности, тангенциального сопротивления перемеще­ нию, характера деформирования поверхностных слоев.

Рассмотрим механизм образования продольной шерохова­ тости при упругом контакте на примере простой модели форми­ рования упругой неровности (плоская задача) (фиг. 25). Жест­ кий цилиндр радиуса R, внедренный в упругое полупространство, движется в направлении оси Ох. ,На площадке контакта ОВ об­ разуются адгезионные связи хп. Прочность этих связей на срез характеризуется произведением ОВ-хп. Таким образом, как бы

z

Фиг. 25

приклеенная лента движется в плоскости хОу, увлекая за собой лежащий ниже материал, который деформируется асимметрич­ но по отношению к сечению плоскостью xOz. Упругое полупро­ странство будет вытягиваться в направлении оси Ох до тех пор, пока сопротивление деформированию материала не сделается равным прочности образовавшихся связей. В этом случае мате­ риал «выстрелит», и материал образовавшейся неровности будет стремиться восстановиться. Очевидно, что индентор, нагребаю­ щий перед собой валик, перескочит через него в момент, когда прочность адгезионной связи будет меньше лобового сопротив­ ления, возникающего при движении валика. Кроме того, необ­ ходимо, чтобы упругие свойства полупространства по направле­ нию нормали к плоскости касания двух поверхностей были бы достаточны для того, чтобы индентор мог перескочить в этот мо­ мент через образовавшийся валик.

Если прочность адгезионной связи выше определенного зна­ чения, то материал будет испытывать необратимое формоизме­ нение, которое зависит от степени наклепа материала, т. е. необ­ ратимая часть упруго-пластической деформации существенна для образования продольной шероховатости. В дальнейшем вы­ ступы, имеющие асимметричное сечение, просядут и будут округляться до тех пор, пока развивающиеся контактные нап­ ряжения под влиянием нагруженного контртела не приведут их в упругое состояние.

Весьма ярким жизненным примером может служить образо­ вание складок, «ребристости», дорожного покрытия на тех его

51