Условие бесконтактного взаимодействия поверхностей трибосопряжений гидропривода при граничном режиме смазки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621. 891

УСЛОВИЕ БЕСКОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ ГИДРОПРИВОДА ПРИ ГРАНИЧНОМ РЕЖИМЕ СМАЗКИ

В.Б. Косолапов, доцент, к.т.н., С.В. Литовка, аспирант,

Р.К. Андрусенко, студент, ХНАДУ

Аннотация. Приведена модель взаимодействия микронеровностей поверхностей в присутствии смазочного материала. Определено граничное условие режима бесконтактного взаимодействия микронеровностей поверхностей пары трения с учётом предельной несущей способности адсорбционного слоя ПАВ.

Ключевые слова: несущая способность, адсорбционная пленка, воспринимаемая нагрузка, площадь контакта.

Введение

Особенностью эксплуатации строительных и дорожных машин является значительное время работы в условиях неустановившихся режимов нагружения. Это приводит к повышению интенсивности износа трибосопря-жений. Для решения данной проблемы смазочные материалы, в том числе и РЖ объёмных гидроприводов, должны быть способны предотвращать непосредственный контакт поверхностей трения путём образования на них плёнки, способной выдерживать возникающие контактные давления Рк .

Анализ публикаций

Наиболее интенсивно процесс износа трибо-сопряжений развивается в граничном режиме смазки. Этот режим смазки возникает в условиях высоких контактных нагрузок, температур, а также при низких скоростях перемещения поверхностей друг относительно друга. В условиях граничной смазки происходит частичное разрушение граничного слоя, приводящее к появлению непосредственного контакта отдельных микронеровностей поверхностей трения и сопровождающегося процессом их изнашивания. Максимальная внешняя нагрузка Ртах, которую способен выдерживать слой молекул ПАВ без разрушения есть его предельная несущая способность [1].

Все поверхности имеют неровности различной формы и размеров независимо от метода их получения (рис. 1). В технике принято различать три вида отклонений поверхности от идеально гладкой математической формы: волнистость, шероховатость и макроотклонения. Шероховатость представляет собой, как правило, следы, оставленные технологическим инструментом (резцом, фрезой, абразивным зерном) в процессе получения поверхности.

Рис. 1. Реальная поверхность трения, измеренная оптическим профилометром [2]

Количественное описание распределения высот микронеровностей по поверхности принято описывать опорной кривой поверхности [3]

X

t г =\\ух г —х х сЬс 9 (1)

о

где 8 = р/Лр - относительный уровень пересечения; 8 - функция распределения выступов профиля по высоте; \|У1 8 - функция

формы выступа профиля, который выражает зависимость длины пересечения А/ от уровня пересечения.

Во время контакта двух поверхностей начальное взаимодействие происходит с ограниченным количеством микронеровностей, воспринимающих нагрузку, различной формы и размеров. При этом количество взаимодействующих микронеровностей возрастает с увеличением нагрузки [1, 4]. Место контакта поверхностей трибосопряжения наиболее точно представляют в виде фактической площади контакта.

Цель и постановка задачи

Целью настоящей работы является определение условие бесконтактного взаимодействия поверхностей трибосопряжения гидропривода при граничном режиме смазки.

Задачами исследования являлось: определение зависимости удельного давления в контакте поверхностей трибосопряжения от его фактической площади в присутствии смазки; определение условия, при котором отсутствует непосредственный контакт поверхностей трения.

Модель взаимодействия микронеровностей

Трибосистема состоит из двух взаимодействующих поверхностей и смазочной среды. Рассмотрим процесс взаимодействия отдельных микронеровностей. Микронеровность может быть представлена в виде совокупности ступенек вицинальных граней кристаллов (рис. 2) [5-7].

В соответствии с моделью «желе» (рис. 3) на вершинах граней образуется локализация поверхностной энергии [8], поэтому они являются адсорбционными центрами, способными образовывать на поверхности микронеровности адсорбированные слои ПАВ.

Энергия взаимодействия молекулы ПАВ с адсорбционным центром определяет прочность связи ПАВ с поверхностью микронеровности, а значит, определяет прочность адсорбционного слоя ПАВ.

5.0

ч

и

-5.0

- +0 .4 -

0,04

-10

0

х. ат.ел.

ю

Рис. 3. Электростатический потенциал вблизи ступеньки в модели «желе». Сглаженная электронная «поверхность» изображена жирной сплошной кривой

При достижении нагрузки на адсорбционном слое ПАВ выше некоторого предельного значения происходит разрушение связи молекулы ПАВ с поверхностью, и они будут выдавлены из контакта. Это приводит к возникновению непосредственного контакта микронеровностей. При этом в первом приближении будем считать, что отсутствие износа это - отсутствие разрушения и отделения материала при непосредственном контакте поверхностей трения.

При условии, когда прочностные свойства адсорбционного слоя по глубине одинаковы, мгновенное значение фактической площади контакта плёнок может быть определено из выражения

(2)

где Ях - радиус площадки контакта пленок ПАВ

К =

АВ

(3)

2

Рис. 2. Схема представления ступеней вици-нальной грани

АВ = /)'" - диаметр площадки контакта плёнок (рис. 3б).

Из схемы изменения угла контакта определяем

(4)

а

К =*&-Д8п

где а - угол контакта, Лб||л - контактная толщина плёнки ПАВ.

а)

б)

Рис. 3. Схемы взаимодействия микронеровностей: а - начальная фаза контакта плёнок ПАВ; б - контакт плёнок ПАВ; в - критическая фаза контакта плёнок ПАВ; г - взаимодействие микронеровностей

Подставляем выражение (4) в (2) и находим

(5)

^=я^|^|А5;л.

При этом удельная нагрузка в таком контакте может быть представлена в виде:

Р

р _ _________ 7Г

УД опл к 5ф

где - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки в реальном контакте; Р - внешняя нагрузка;

5пл - фактическая площадь контакта плёнок.

В первом случае (рис. За) а = 180°, при этом внешняя нагрузка Р столь мала, что контакт происходит через адсорбированные слои ПАВ. Площадь контакта плёнок .V'" = 0.

Второй случай (рис. Зв) является предельным, когда а = 180°. Он определяет граничное условие, при котором ещё не происходит непосредственный контакт микронеровностей, т.е площадь контакта поверхностей Л',''а = 0. В этом случае внешняя нагрузка достигла значения предельной нагрузки Р ,

которую способна выдерживать пленка ПАВ. Если внешняя нагрузка превысит Р , то

часть контактного давления будет передаваться на металлический контакт тел 1 и 2 трибосопряжения (рис. 3г). Такой вид контакта неизбежно сопровождается началом и в последующем интенсификацией процесса изнашивания поверхностей трибосопряже-ния. Поэтому, будем считать, что первоочередной задачей предотвращения износа три-босопряжения является создание условий, при которых вся нагрузка в контакте будет восприниматься «третьим» телом, т.е. адсорбированной пленкой ПАВ.

Таким образом, условие бесконтактного взаимодействия микронеровностей можно представить в таком виде:

| якпов = 0

Я™ = Я

(7)

опов ^

где 5к - площадь контакта поверхностей;

5™ - площадь контакта плёнок; 5тх - максимальная площадь контакта при условии

£кпов = 0 .

Данное соотношение определяет режим взаимодействия поверхностей, при котором нагрузка, воспринимаемая микронеровностями, не должна превышать своего предельного значения, численно равного Ркр .

Изменение величины контактного давления пленок ПАВ Ркпл в общем виде можно представить выражением

р™1 = рпл к пр

| S™dSt

(8)

где Р^ - предельная удельная несущая способность пленки ПАВ; 5™ - функция распределения фактической площади контактирующих микронеровностей через плёнку ПАВ на контурной площади контакта поверхностей трибосопряжения, 5конт - контурная площадь контакта поверхностей три-босопряжения.

Из выражения (8) видно, что увеличение контактного давления приводит к увеличению фактической площади контакта адсорбционного слоя ПАВ.

Исходя из этого, условие бесконтактного взаимодействия микронеровностей будет иметь вид:

Jifa=0;

Uie=р,..

(9)

где Рпов - контактное давление поверхностей; Ркпл - контактное давление пленок ПАВ; Ртх - максимальная внешняя нагрузка.

Граничное условие взаимодействия поверхностей, при котором не происходит непосредственный контакт микронеровностей без смазочного слоя, имеет вид

Выводы

(10)

Установлено, что характер взаимодействия элементов трибосопряжения определяется

радиусом кривизны микронеровностей в контакте.

Отсутствие износа поверхностей трибосопряжения, помимо прочих условий, определяется прочностными свойствами адсорбированных плёнок ПАВ.

Определено граничное условие взаимодействия поверхностей, при котором не происходит непосредственный контакт микронеровностей без смазочного слоя.

Литература

1. Чичинадзе А.В., Хебда М. Справочник по

смазочным материалам. Т.1. - Москва: Машиностроение, 1989. - 400 с.

2. Glovnea R. P., Olver A. V., Spikes H. A. Lu-

brication of rough surfaces by a boundary film-forming viscosity modifier additive // Journal of Tribology. - 2005.- Vol. 127. -P. 223-229.

3. Дёмкин Н. Б. Контактирование шерохова-

тых поверхностей. - М: Наука,1970. -266 с.

4. Johnson K. L., Contact Mechanics. - Cam-

bridge: Cambridge University Press, 1985. - 452 p.

5. Рудзит Я. А. Микрогеометрия и контакт-

ное взаимодействие поверхностей. - Рига: Зинатне, 1975. - 210 с.

6. Зенгуил Э. Физика поверхности. - М.:

Мир, 1990. - 536 с.

7. Суворов А. Л. Структура и свойства по-

верхностных атомных слоев металлов. -М.: Энергоатомиздат, 1989. - 296 с.

8. Гегузин Я. Е. Диффузионная зона. - М.:

Наука, 1962. - 344 с.

Рецензент: В.В. Ничке, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 6 мая 2007 г.