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

В результате рассеивания энергии при однократном нару­ шении фрикционной связи в критическом объеме устанавли­ вается энергоплотность

(6.30)

При последующих нарушениях фрикционных связей эпергоплотность контактной зоны возрастает до критического значения — энергоемкости, соизмеримой с энергиеймежатом­ ных связей между отдельными частицами материала. В ре­ зультате происходит разрушение поверхностного слоя и отде­ ление от основной массы контактной зоны частиц материала. «Размазывая» величину объема (веса) изношенного материа­ ла на заданном пути скольжения, можно определить коэффи­ циент износа. Отсюда можно определить величину приведен­ ного износа при однократном нарушении фрикционной связи. Это дает возможность рассматривать процесс рассеяния энер­ гии (мощности) при трении как процесс, сопровождающийся разрушением материала и изнашиванием поверхностей. При малом износе поверхностей (например, при упругом наруше­ нии фрикционной связи) значительная часть подводимой к контакту энергии рассеивается. А при абразивном изнашива­ нии поверхностей почти вся подводимая к контакту энергия расходуется на разрушение материала.

Пусть нарушение фрикционной связи произошло при сме­ щении поверхностей Л. Тогда сопротивление контакта состав­ ляет

(6,31)

Сложное напряженное состояние материала за фронтом ударной волны при значительных напряжениях близко к все­ стороннему сжатию.

Это дает возможность представить значение энергоплот­ ности Up контакта произведением из относительной дефор­ мации на некоторую величину приведенного напряжения а. Тогда

и

аеш

94

Отсюда можно найти коэффициент трения (сопротивления) при нарушении фрикционной связи и преобразовании контак­ та. Имеем

Из формул (6.26) и (6.33) можно найти корреляционную связь между коэффициентами трения и износа поверхностен.

Характер и величина разрушения поверхностей определя­ ются геометрией контактов, условиями нагружения, способ­ ностью материала оказывать сопротивление при нарушении фрикционных связей, действием внешних условий. Влияние геометрии поверхности сказывается на величине относитель­ ной площади фактического контакта и соотношении фактиче­ ского и контурного давления. Условия нагружения контакта зависят от величины удельной нагрузки на контакте и скоро­ сти ее приложения. Сопротивляемость материала характери­ зуется энергоемкостью контакта и скоростью распростране­ ния возбуждения. Роль внешних условий, при которых проте­ кает процесс трения, определяет величину коэффициента тре­ ния и глубину контактной зоны.

Из приведенных соотношений следует, что величина изно­ са пропорциональна нагрузке в степени х= 1,54-2, что хоро­ шо согласуется с экспериментальными данными (табл. 24).

Анализ полученных расчетных формул показывает, что в тех случаях, когда фактическое давление на контакте опреде­ ляется твердостью материала, коэффициент износостойкости

ных данных, при которых коэффициент износа обратно про­ порционален твердости в первой степени, являются верхней оценкой. Этот результат вытекает из того, что с ростом твер­ дости материала количество изношенных частиц увеличива­ ется, а размеры их — уменьшаются. В процессе трения та­ кие частицы оказывают большее разрушающее действие на

95

сопряженных поверхностях. Окисиые пленки, будучи тонкими и хрупкими по своим свойствам, воспринимают действующую нагрузку и предохраняют поверхностные слои от разрушения. Этим можно объяснить уменьшение глубины зоны проникно­ вения механического нагружения на контакте. В результате коэффициент трения уменьшается, а величина износа увели­ чивается. Однако, следует заметить, что этот результат име­ ет место при условии, если скорость образования окисной плен­ ки является оптимальной и ее средняя толщина успевает об­ разоваться за время между воздействиями на контакте. Этот вывод подтверждается экспериментом. Если при установив­ шемся процессе трения и неизменных значениях нагрузки в зону взаимодействия ввести абразивный порошок, то можно наблюдать падение коэффициента трения и одновременно ин­ тенсивное разрушение защитных окиеных пленок. При даль-, иейшем взаимодействии поверхностей происходит значитель­ ный рост силы трения. При прекращении подачи абразива процесс трения стабилизируется и восстанавливается в пер­ воначальной стадии [9].

Очень сложна роль скорости скольжения при исследовании процесса трения. Скорость скольжения прежде всего сказы­ вается на температуре контакта и свойствах материала и, вовторых, оказывает влияние на рост пленок окислов. С ростом скорости приложения нагрузки при неизменной глубине кон­ такта коэффициент трения уменьшается, а износ поверхностей увеличивается. Если же учитывать роль глубины контакта, которая может определяться толщиной пленки или глубиной внедрения выступов, то предыдущий вывод нуждается в кор­ ректировке.

В заключение следует остановиться на двух эффектах. Известный эффект Келя и Зибеля заключается в том, что при достижении некоторой критической скорости скольжения, на­ блюдается резкое падение (иногда в сто раз) величины изно­ са поверхностей. С точки зрения приведенных зависимостей, этот эффект можно объяснить следующим образом. Выше было сказано, что процесс взаимодействия на контакте состо­ ит из двух этапов: «рабочего», при котором происходит нагру­ жение контакта, и «отдыха», при котором свойства материа­ лов способны, восстанавливаться. В свою очередь рабочий этап состоит из двух последовательных нагружений: механи­ ческого, протекающего со скоростью звуковых возмущений, и теплового, протекающего с несколько меньшей скоростью. При больших скоростях скольжения тепловое нагружение не

96

успевает проявиться и энергоплотность определяется механи­ ческим нагружением контакта. В результате может наблю­ даться резкое увеличение износа поверхностей. При малых же скоростях скольжения на контакте за время нарушения свя­ зи проявляется тепловое нагружение, что вызывает резкое увеличение энергоплотности контакта. В результате величина износа сохраняет небольшие значения.

Резкое колебание (возрастание и спад) величиты износа, который наблюдали Арчард и Хирст при достижении первой

ивторой критических нагрузок,.также можно объяснить при­ веденными выше зависимостями. С ростом нагрузки и при достижении критического значения наблюдается одновремен­ ный рост контурного давления и падение фактического вслед­ ствие растекания материала.

Например, при росте контурного давления в два-три раза

иодновременном снижении фактического давления на 30— 50% из приведенных зависимостей следует, что величина из­ носа может увеличиваться почти на два порядка. Резкий спад величины износа при достижении второй критической нагруз­ ки можно, как и при предыдущем эффекте, объяснить увелть чением энергоплотности контакта вследствие значительного теплового воздействия.

Расчет коэффициентов трения и износа чугунной шлифо­

0,5 м/сек. Размер номинальной поверхности 50x50 = 2500 мм2, максимальная высота неровностей 3 мкм. Нормальная нагруз­ ка 250 дан.

98

8. -iy О £ — 0 ,8 - І 0 J 2 (5 .ют" ■7 д а н ім м '1.

=(1 -г-0,3) 1017 см~3.