Файл: Марочкин, В. Н. Прочность фрикционного контакта учеб. пособие по расчету узлов трения.pdf

где ß i u — некоторые параметры. Тогда величина износа составит

Д/г = /г0 — /г = /г0а-ѵ.

Из кривой изнашивания (рис. 23) видно, что на первой стадии скорость процесса истирания убывает. Можно при­ нять, что скорость изнашивания с течением времени убывает по параболической зависимости.

Этой закономерности процесса изнашивания хорошо под­ чиняется сферическая модель, у которой длина пути сколь­ жения на контакте 2а пропорциональна корню квадратному из высоты изношенной части отдельного выступа.

Для конической модели отдельной неровности длина пути скольжения на контакте пропорциональна высоте изношенной части выступа, так как a = /itgy. В этом случае величина из­ ношенной части выступа пропорциональна пути или 'времени протекания процесса. Для этой модели кривая изнашивания па первом этапе имела бы вид прямой линии.

ВОПРОСЫ

1.Охарактеризуйте два основных периода преобразования фрикционного контакта.

2.Какие три стадии сопровождают процесс разрушения фрикционных поверхностей?

3.Какой вид имеют две поверхностные зоны контакта при нарушении фрикционной связи?

4.Какова роль поверхностно-активных веществ в вопросах прочности фрикционного контакта?

5.Какое влияние оказывает твердость окислов металлов на прочность фрикционного контакта?

6.Что называется износом сопряженных деталей машин? Какие явления сопровождают процесс изнашивания поверх­ ностей твердых тел?

8.В чем сущность истирания и шаржирования поверхно­

стей?

9.Какие виды разрушения фрикционных контактов сопро­ вождают процесс изнашивания поверхностей?

10.Приведите характеристику процесса изнашивания по­ верхностей во времени.

76 .

Глава è.

РАСЧЕТ ФРИКЦИОННОГО КОНТАКТА

6.1. Характеристика термомеханического нагружения контакта

Последовательные нарушения фрикционных связей про­ исходят при механических и тепловых нагружениях контакта. Механическое нагружение является неодинаковым вдоль по­ верхности контакта. Вследствие трансформации контактного давления 'Передние участки контакта испытывают большие нагрузки, чем задние. Тепловое нагружение контакта, вызван­ ное неравномерным повышением температуры, приводит к диффузионным процессам. В результате атомы в поверхност­ ном слое перемещаются из напряженных к ослабленным мес­ там и оставляют на своем месте вакансии. Поэтому концент­ рацию напряжений следует ожидать в передних зонах кон­ такта, где действуют повышенные давления и ослаблены свя­ зи между атомами. В этих местах появляются нарушения в регулярном строении атомной .решетки —: мелкие трещины, как результат нагружения контакта и его трансформации. Трещины могут появляться и в зонах контакта, где происхо­ дит концентрация атомов вследствие протекания диффузион­ ных процессов. Появление небольших трещин в -местах кон­ центрации атомов в кристаллической решетке — результат теплового нагружения контакта.

Происхождение трещин играет важную роль в вопросах фрикционной прочности контакта. Опыт показывает, что теп­ ловое нагружение контакта редко приводит к разрушению ма­ териала. Вызвано это тем, что при каждом появлении термотрещины происходит ослабление локальных,связей с облегче­ нием протекания местной термической деформации и «разгружением» близлежащей зоны контакта. Поэтому при повтор­ ном термонагружении максимальные термонапряжения возни­ кают в'других местах. В результате появляется разветвлен­ ная сеть мелких микротрещин, ие нарушающая продолжитель­ ное время работоспособности и сопротивляемости контакта. В этих условиях нагружения и преобразования контакта раз­ рушение является вязким.

Повторные механические нагружения усиливают напря­ женность контакта и способствуют дальнейшему росту тре­ щины, которая становится магистральной. Развитие такой ма-

'77

гистралы-юй трещины приводит к хрупкому разрушению кон­ такта.

Тормозом для развития магистральной трещины может быть местная пластическая деформация контакта и появле­ ние на пути ее распространения разветвленной сети мелких термотрещин. Скорости антагонистических процессов образо­ вания магистральной трещины и разветвленной сети микро­ трещин определяются степенью релаксаций напряжений (от механического и теплового нагружений). Механические на­ пряжения способны релаксировать только при малых запасах упругой энергии, т. е. при малой энерго'плотности контакта, а релаксация термических напряжений происходит независимо от величины энергоплотности контакта. Отсюда возникает не­ сколько вопросов. Какая релаксация напряжений более ин­ тенсивная (механическая или тепловая)? При каких услови­ ях релаксация механических напряжений более интенсивная, чем релаксация тепловых напряжений? Как (какими порци­ ями) подводить энергию к контакту и какова должна быть скорость .ее рассасывания (поглощения) в объеме?

Приведенный сравнительный анализ термомеханических нагружений контакта показывает, что процесс управления работой узла трения и обеспечения заданной долговечности его эксплуатации может быть связан с усилением местной пластической деформации контакта и ослаблением общей де­ формации либо создании быстрой смены температурных по­ лей за счет нагрева и охлаждения контактной зоны узла тре­ ния.

В зависимости от условии нагружения, и характера рассе­ ивания энергии при нарушении фрикционной связи различают три основных вида разрушения фрикционного контакта: уп­ руго-вязкое, вязко-пластическое и хрупкое.

Упруго-вязкое разрушение происходит в результате упру­ гого нагружения контакта и рассеяния подводимой энергии, вызывающими небольшое повышение температуры в контакт­ ной зоне, постепенно насыщаемой разветвленной сетью мел­ ких термотрещин. Вязкопластическому разрушению предше­ ствует развитая пластическая деформация контакта и погло­ щение подводимой энергии, связанной с образованием де­ фектов и дроблением контактной зоны на отдельные блоки. При хрупком разрушении контакта нагрева поверхности не наблюдается, подводимая энергия расходуется на разрыв свя­ зи между частицами упрочненной зоны. -

Процесс-нарушения фрикционной связи начинается с рас-

78

гіространения механической волны напряжений, которая при встрече с дефектами поверхностного 'слоя претерпевает изме­ нения и преобразуется в неупорядоченное движение, вызывая нагрев материала. Измененные свойства материала способ­ ствуют развитию пластических деформаций и дроблению по­ верхностного слоя на отдельные блоки, вызывающие упрочне­ ние контакта. При дальнейших нагружениях контакта проис­ ходит концентрация напряжений, вызывающая рост микротрещин до критических размеров с разрушением связей в местах сочленения отдельных блоков.

Рассмотрим методику расчета коэффициентов износа по­ верхностей для упрочненного и иеупрочненного контактов при развитии упругих и пластических деформаций.

Относительная деформация в контактной зоне при нарушении фрикционной связи

Динамический, кратковременный и концентрированный ха­ рактер процесса трения приводит к возникновению периоди­ ческих нагружений, которые, распространяясь в глубь контакт­ ной зоны, способны захватывать заметные по величине объ­ емные слои материалов. Пусть при «встрече» выступов сопря­ женных поверхностей происходит «удар» и начинается фор­ мирование фрикционной связи. В результате «удара» возника­ ет мгновенное изменение скорости скольжения, которое воз­ буждает на поверхности сопряженных тел волновые процес­ сы, распространяющиеся в глубь контактной зоны.

Предположим, что при нагружении предварительно упроч­ ненной контактной зоны в поверхностном слое возникают как продольные, так и поперечные волны. Из этого следует, что слой материала находится под действием сжимающей и сдви­ гающей нагрузок и не допускает значительных заметных де­ формаций. Это дает возможность подсчитать относительную скорость подведения энергии к контактной зоне при наруше­ нии фрикционной связи. Известно, что абсолютные скорости распространения продольных и поперечных волн нагружений в материале составляют

79-

Из полученного соотношения следует, что продольная вол­ на сжатия контакта опережает поперечную волну сдвига. Это означает, что нагружение контактной зоны при трении проис­ ходит в два этапа. На первом этапе наблюдается формирова­ ние .контактной зоны со скоростью распространения продоль­ ной волны сжатия (па этом этапе во взаимодействие вовлека­ ется некоторый 'объем контактной зоны). На втором этапе происходит нарушение фрикционной связи вследствие распространенияпоперечной сдвигающей волны.

Предположим, что точка касания «О» соударяемых высту­ пов приобретает свободное гармоническое колебание, совер­ шающееся по закону

где а — амплитуда колебаний — наибольшее отклонение точ­ ки от положения равновесия, Й — частота, t — текущее время распространения ударной волны. Из формулы (6.3) следует, что продольная волна распространяется в недрах контакта с некоторой скоростью и вызывает поочередные деформации сжатия и растяжения.

На прямой возбуждения волнового процесса па небольшом расстоянии s от точки «О» выберем точку «А» среды. При ско­ рости распространения волнового возбуждения в среде V ко­

лебания точки «А» начнется через промежуток времени £ j= р-

после «удара». Пренебрегая сопротивлением среды, можно записать закон колебательного движения для точки «А». Имеем

щегося выступа принадлежит и неподвижному выступу. Тог­ да точки «О» и «А» можно рассматривать, как принадлежа­ щие одной системе.

Пусть относительная деформация среды

(6,5)

Отсюда следует, что «е» может быть как меньше, так и боль­ ше нуля, что подтверждает заключение о распространении в недрах контакта участков сжатия и растяжения материала. Из уравнения (6.4) можно найти и скорость колебания, ко-

80

торая соответствует отпосительнои скорости смещения или скорости деформирования «выступа в результате «удара». Имеем

n t

Из формул (6.5) и (6.6) можно получить следующее соотно­ шение:

(6,7)

Формула (6.7) показывает, что относительная деформация в контактной зоне при волновом распространениинапряжения равна отношению скоростей приложения нагрузки к ее рас­ пространению.

Коэффициент трения при разрушении предельно упрочненного контакта

Пусть сопряжение отдельного выступа подвижного твер­ дого тела «А» с предельно упрочненной поверхностью непод­ вижного тела «В» происходит по боковой поверхности призмы КО (рис. 24). На схеме угол ß 'наклона боковой поверхности призмы с горизонтом составляет 5—15°.

а

границе контакта КО, а разрушение поверхностного слоя про­ исходит по рабочей плоскости скольжения LMCN, пересекаю­ щей боковую поверхность призмы в некоторой точке L под углом 0: KL = aKO. Такое предположение основано на том, что от начала нагружения контакта до начала его разруше­ ния проходит некоторое время, за которое отдельный выступ

подвижного тела успевает сместиться по боковой поверхно­ сти призмы на некоторую величину LO.

При наличии контактной адгезии угол пересечения линий скольжения LMCN с границей KL может изменяться в преде­ лах от 0 до 45°, а со свободной от нагрузок поверхностью со­ ставляет 45°+ 6, где б — угол пересечения поверхности KN с горизонтом.

Примем длину Іо первоначального контакта КО за едини­ цу. Тогда длина граничной линии плоскости скольжения LMPN составляет

l=rLM + MP + P N =

Из рис. 24 видно, что длина линии скольжения I в основном определяется длиной отрезка LM, а угол 0 в реальных усло­ виях взаимодействия составляет порядка 30°.

Тогда коэффициент трения при разрушении сдвигом уп­ рочненного контакта можно представить соотношением

(6,9)

Учитывая, что растекание поверхностей при предельном уп­ рочненном контакте мало вероятно, можно записать, что при реальных параметрах 0= 0—45°, 6=15—30° и а=0,5—1,0.

Касательные напряжения, возникающие на площадках сдви­ га, в общем случае являются функцией нормальных напря­ жений

Значение функции <р(а) зависит от характера разрушения и принятой теории прочности.

Примем, что на поверхности сдвигов величина касатель­ ных напряжений определяется соотношением

где то — сопротивление материала на сдвиг при отсутствии нормальных напряжений, х — некоторый коэффициент, ко­ торый в среднем составляет 0,7—0,8. Пусть сопротивление ма-

82