ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТРЕНИЯ В ЧЕТЫРЁХШАРИКОВОМ УЗЛЕ ПРИ НАЛИЧИИ ТВЁРДОЙ СМАЗКИ В УСЛОВИЯХ ВАКУУМА Текст научной статьи по специальности «Физика»

APPLICATION OF A COMPREHENSIVE QUALITY CRITERIA IN THE SELECTION OF STEEL GRADE FOR THE "SHORT" DETAIL USED IN THE CONSTRUCTION OF THE CRIMEA BRIDGE

K.A. Golentsov

The article presents the rationale for the choice of steel grade for the short section used for the construction of the Crimean bridge structure. A list ofproperties that steel used for the manufacture of fasteners must have has been formulated, and a range of steels with the required properties has been selected. A comparison of steels was carried out according to the critical diameter of hardenability, taking into account possible scatter depending on fluctuations in the chemical composition, grain size, size and shape of the product and many other factors. The safety factor for critical temperatures was calculated based on data on the cold brittleness threshold (T50) taking into account the influence of the part diameter, technological factors and operating temperature. Data on the characteristics of mechanical properties and relative price (RP) are systematized. A comparison of the set ofproperties of steels using the desirability function was carried out.

Key words: desirability function, shortness of the reinforcement joint, justification for the choice of steel grade, cold brittleness threshold, mechanical properties of steel.

Golentsov Kirill Alekseevich, master's, [email protected]. Russia, Tula, Tula State University

УДК 539.621

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-148-149

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТРЕНИЯ В ЧЕТЫРЁХШАРИКОВОМ УЗЛЕ ПРИ НАЛИЧИИ ТВЁРДОЙ СМАЗКИ В УСЛОВИЯХ ВАКУУМА

А.Д. Бреки, И.А. Шульгин, Д.В. Зимин, Р.В. Алероев, Д.И. Данилогорский, Л.А. Плетнев, С.Г. Чулкин, Н.Е. Стариков, Б.М. Горшков

В статье реализована проверка математической модели, описывающей зависимости коэффициента трения скольжения от температуры на примере фрикционного взаимодействия пары сталь по стали через смазочные покрытия. Проверка реализована посредством обработки и анализа экспериментальных данных, полученных при фрикционном взаимодействии четырёх шаров из стали ШХ15 с нанесёнными на них покрытиями. Введены новые триботехнические характеристики, которые позволяют более детально охарактеризовать фрикционное взаимодействие в смазанной четырёхшариковой системе «сталь-сталь» при изменении температуры.

Ключевые слова: математическая модель, трение скольжения, твёрдое смазочное покрытие, температура, фрикционное взаимодействие.

Известно, что твёрдые смазочные покрытия (ТСП) активно используются в качестве материалов трибо-технического назначения [1-5]. При этом давно известно, что из-за высокой температуры, возникающей при трении на поверхности твёрдых покрытий, развиваются различные физические и химические процессы на фрикционном контакте, влияющие на коэффициент трения. Коэффициент трения в случае приращения температуры в зоне трения ТСП с металлом, или между ТСП изменяется по сложным зависимостям, для которых в настоящее время ещё не создано соответствующих математических моделей. В связи с этим, в границах данной работы, предлагается новая математическая модель, описывающая закономерности влияния температуры на трение скольжения между ТСП одного вида, нанесённого на 4 шара в четырёхшариковой машине трения в условиях вакуума [9].

В работах [6-8] предложена следующая математическая модель, которая была использована для описания динамики изменения силы трения:

f(x) = Уп с,дж+с,,2 (1)

Анализ данных работы [9] позволил предположить, что зависимость коэффициента трения ТСП от температуры, может быть представлена с использованием (1) следующим образом:

/ =]ПТ+Го + (2)

где 'ф — резкость изменения коэффициента трения при качественном изменении состояния фрикционного контакта, /0 — коэффициент трения при 00С, — эмпирические коэффициенты, характеризующие интенсивность изменения коэффициента трения, Т— температура, Тп — значение температуры, соответствующее максимальной интенсивности изменения коэффициента трения.

В работе [9] О.В. Лазовской и Р.М. Матвеевским получены важные зависимости коэффициента трения от температуры при фрикционном взаимодействии четырёх шаров из стали ШХ15 с нанесёнными на них ТСП [9]:

-дисульфид молибдена, натёртый в слой серебряного покрытия;

- дисульфид молибдена со связующим силикатом натрия;

- дисульфид молибдена с кремнийорганическим связующим (материал смола К-55);

- графит с кремнийорганическим связующим (смола К-55);

- оксид свинца, нанесённый из бентонитовой суспензии с последующим оплавлением.

Условия испытаний: скольжение стального шара по трём нижним шарам с частотой 0,3 об/мин, при нагрузке 1,43кГс, в диапазоне температуры от 0 до 7000С в вакууме (рабочее разряжение в вакуумной камере 5...7*10"5 мм рт. ст.). Авторами [9] установлены зависимости коэффициента трения от температуры в графическом виде, однако не было найдено их аналитического представления. В данной работе реализована точная оцифровка графиков из работы [9] и осуществлена аппроксимация выявленных точек с использованием формулы (2).

На рисунке 1 показаны точки, полученные при оцифровке графика коэффициента трения [9] для ТСП из материала: дисульфид молибдена, натёртый в слой серебряного покрытия и соответствующий график аппроксимирующей функции.

« 0.16 Я

£.0.12 н

| 0.08 в 0.04

■е-

■з-

я о

♦ ♦ •

♦ ♦ *

♦

О 140 280 420 560 700

Температура (°С)

Рис.1. График зависимости коэффициента трения от температуры для ТСП из материала: дисульфид молибдена, натёртый в слой серебряного покрытия

Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры для ТСП из материала: дисульфид молибдена, натёртый в слой серебряного покрытия, выражается формулой:

/ = 0.054+ :

(3)

1+ехр(-0.1(Г-355))'

Исследование функции (3) показывает, что наибольшее значение коэффициента трения составляет 0,068 на температурном диапазоне приблизительно 400-700 0С. Интегрирование (3) по всему интервалу от 0 до 700 0С и деление полученного результата на длину данного интервала температур даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,06.

На рисунке 2 показаны точки, полученные при оцифровке графика коэффициента трения [9] для ТСП из материала: дисульфид молибдена со связующим силикатом натрия и соответствующий график аппроксимирующей функции.

700

Температура ( С)

Рис. 2. График зависимости коэффициента трения от температуры для ТСП из материала: дисульфид молибдена со связующим силикатом натрия

Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры для ТСП из материала: дисульфид молибдена со связующим силикатом натрия, выражается формулой:

/ = 0.105 -0.000125Г+-

0.000147+0.13

(4)

1+ехр(-0.1(Г-520))'

Исследование функции (4) показывает, что наибольшее значение коэффициента трения составляет 0,25 при температуре приблизительно 700 0С. Интегрирование (4) по всему интервалу от 0 до 700 0С и деление полученного результата на длину данного интервала температур даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,12.

На рисунке 3 показаны точки, полученные при оцифровке графика коэффициента трения [9] для ТСП из материала: дисульфид молибдена с кремнийорганическим связующим (материал смола К-55) и соответствующий график аппроксимирующей функции.

700

Температура (°С)

Рис. 3. График зависимости коэффициента трения от температуры для ТСП из материала: дисульфид молибдена с кремнийорганическим связующим (материал смола К-55)

Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры для ТСП из материала: дисульфид молибдена с кремнийорганическим связующим (материал смола К-55), выражается формулой:

149

f = 0.128 -0.00021Г + -

0.00021Г+0.099

(5)

1+ехр(-0.04(Г-660))'

Исследование функции (5) показывает, что наибольшее значение коэффициента трения составляет 0.186 при температуре приблизительно 700 0С. Интегрирование (5) по всему интервалу от 0 до 700 0С и деление полученного результата на длину данного интервала температур даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,07.

На рисунке 4 показаны точки, полученные при оцифровке графика коэффициента трения [9] для ТСП из материала: графит с кремнийорганическим связующим (смола К-55) и соответствующий график аппроксимирующей функции.

700

Температура (°С)

Рис. 4. График зависимости коэффициента трения от температуры для ТСП из материала: графит с кремнийорганическим связующим (смола К-55)

Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры для ТСП из материала: графит с кремнийорганическим связующим (смола К-55), выражается формулой:

/ = 0.115-0.00016Г + -

0.00025Г+0.23

(6)

1+ехр(-0.09(Г-675))'

Исследование функции (6) показывает, что наибольшее значение коэффициента трения составляет 0.37 при температуре приблизительно 700 0С. Интегрирование (6) по всему интервалу от 0 до 700 0С и деление полученного результата на длину данного интервала температур даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,074.

На рисунке 5 показаны точки, полученные при оцифровке графика коэффициента трения [9] для ТСП из материала: оксид свинца, нанесённый из бентонитовой суспензии с последующим оплавлением и соответствующий график аппроксимирующей функции.

0.4

И

в 0.32

»

о.

н 0 24

в

I 0.16

s

S 0 08

0 140 280 420 560 700

Температура (°С)

Рис. 5. График зависимости коэффициента трения от температуры для ТСП из материала: оксид свинца, нанесённый из бентонитовой суспензии с последующим оплавлением

Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры для ТСП из материала: оксид свинца, нанесённый из бентонитовой суспензии с последующим оплавлением, выражается формулой:

/ = 0.205+-

(7)

1+ехр(-0.056(Г-581))'

Исследование функции (7) показывает, что наибольшее значение коэффициента трения составляет 0.4 при температуре приблизительно 6430С. Интегрирование (7) по интервалу от 0 до 643 0С и деление полученного результата на длину данного интервала температур даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,224.

Выводы

На основе полученных в экспериментальном исследовании результатов можно сделать следующие основные выводы:

1. Произведён выбор математической модели для выявления закономерностей трения в четырёхшарико-вом узле при наличии твёрдой смазки в условиях вакуума при изменении температуры.

2. Реализована оцифровка экспериментальных данных и проведён их анализ, с использованием выбранной математической модели, для выявления закономерностей трения в четырёхшариковом узле при наличии различных ТСП в условиях вакуума при изменении температуры.

3. Осуществлена верификация выбранной математической модели, подтвердившая её справедливость для выявления закономерностей трения в четырёхшариковом узле при наличии твёрдой смазки в условиях вакуума при изменении температуры.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» научного проекта: "Применение цифрового моделирова-

ния и больших данных для повышения эффективности механической обработки титановых лопаток паровых турбин и их эксплуатации в условиях каплеударной эрозии № 22-19-00178.

Список литературы

1. Сравнение эффективности модифицирования СВМПЭ графитом и дисульфидом молибдена (MoS2) при получении антифрикционных композитов / С. В. Панин, Д. А. Нгуен, Л. А. Корниенко [и др.] // Новые материалы. Создание, структура, свойства-2013 : сборник трудов XIII Всероссийской школы-семинара с международным участием, Томск, 09-13 сентября 2013 года / Национальный исследовательский Томский политехнический университет.

- Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2013. С. 130-136.

2. Износостойкость композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, наполненных микрочастицами графита и дисульфида молибдена / С. В. Панин, Л. А. Корниенко, Т. Нгуен Суан [и др.] // Трение и износ.

- 2014. - Т. 35. - № 4. - С. 444-452.

3. Александров С.Е. Низкотемпературное плазмохимическое осаждение нанокомпозиционных антифрикционных покрытий дисульфид молибдена (наполнитель)-оксид кремния (матрица) / С. Е. Александров, К. С. Тюри-ков, А. Д. Бреки // Журнал прикладной химии. 2017. Т. 90. № 11. С. 1444-1450.

4. Петровский Д.И. Твердые смазочные покрытия наномодифицированные дисульфидом молибдена / Д. И. Петровский, Е. А. Петровская // Проблемы совершенствования машин, оборудования и технологий в агропромышленном комплексе: материалы международной научно-технической конференции, Воронеж, 23-24 октября 2019 года. - Воронеж: Воронежский государственный аграрный университет им. Императора Петра I, 2019. - С. 202-205.

5. Цветков, Ю. Н. Повышение эффективности дизелей нанесением на поршни твердого смазочного покрытия, содержащего дисульфид молибдена / Ю. Н. Цветков, В. М. Тарасов // Журнал университета водных коммуникаций. 2010. № 1. С. 45a-52.

6. Бреки А.Д. Триботехнические характеристики материалов пар трения и смазочных сред в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта: автореферат дис. ... доктора технических наук: 05.02.04 / Бреки Александр Джалюльевич; [Место защиты: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого]. Санкт-Петербург, 2021. 43 с.

7. Бреки А.Д. Триботехнические характеристики материалов пар трения и смазочных сред в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта: диссертация ... доктора технических наук: 05.02.04 / Бреки Александр Джалюльевич; [Место защиты: ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»]. Санкт-Петербург, 2021. 378 с.

8. Бреки А.Д. Аналитическое представление зависимостей силы трения от температуры при фрикционном взаимодействии пространственно структурированных каучуков со стальной поверхностью / А. Д. Бреки // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2023. № 7(145). С. 33-38. DOI 10.30987/2223-4608-2023-7-33-38.

9. Лазовская О.В., Матвеевский Р.М. Методика исследования антифрикционных свойств твёрдых смазок при высоких температурах в вакууме и инертном газе / Теория трения и износа [Текст]: [Сборник статей] // Акад. наук СССР. Науч. совет по трению и смазкам. Москва: Наука, 1965. С. 312 - 316.

Бреки Александр Джалюльевич, д-р техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории трения и износа, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Институт проблем машиноведения РАН,

Шульгин Игорь Андреевич, аспирант, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Зимин Денис Викторович, аспирант, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Алероев Руслан Вахаевич, аспирант, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Данилогорский Денис Иванович, аспирант, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Плетнев Леонид Алексеевич, аспирант, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Чулкин Сергей Георгиевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет,

Стариков Николай Евгеньевич, д-р. техн. наук, профессор, starikov [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Горшков Борис Михайлович, д-р техн. наук, профессор, kaf [email protected], Россия, Тольятти, Поволжский государственный университет сервиса

REGULARITIES OF FRICTION IN A FOUR-BALL ASSEMBLY IN THE PRESENCE OF SOLID LUBRICATION IN

VACUUM CONDITIONS

A.D. Breki, I.A. Shulgin, D.V. Zimin, R.V. Aleroyev, D.I. Danilogorsky, L.A. Pletnev, S.G. Chulkin, N.E. Starikov, B.M. Gorshkov 151

The article implements the verification of a mathematical model describing the dependence of the sliding friction coefficient on temperature on the example of the fictional interaction of a steel-on-steel pair through lubricating coatings. The verification was carried out by processing and analyzing experimental data obtained during the frictional interaction of four balls made of steel SHX15 with coatings applied to them. New tribotechnical characteristics have been introduced, which make it possible to characterize in more detail the frictional interaction in a lubricated four-ball system "steel-steel" with temperature changes.

Key words: mathematical model, sliding friction, solid lubricant coating, temperature, friction interaction.

Alexander Dzhalyulevich Breki, doctor of technical sciences, professor, leading researcher at the friction and wear laboratory, [email protected], Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Institute of Problems of Machine Science of the Russian Academy of Sciences,

Shulgin Igor Andreevich, postgraduate, [email protected], Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University,

Zimin Denis Viktorovich, postgraduate, [email protected], Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University,

Aleroev Ruslan Vakhaevich, postgraduate, [email protected], Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University,

Danilogorsky Denis Ivanovich, postgraduate, [email protected], Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University,

Pletnev Leonid Alekseevich, postgraduate, [email protected], Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University,

Chulkin Sergey Georgievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Marine Technical University,

Starikov Nikolay Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Gorshkov Boris Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, kaf [email protected], Russia, Togliatti, Volga State University of Service

УДК 539.621

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-152-153

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕНИЯ В ТРИБОСОПРЯЖЕНИИ «РЕТИНАКС - СТАЛЬ» ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ

А.Д. Бреки, В.А. Яхимович, А.О. Поздняков Р.В. Алероев, Д.И. Данилогорский, Л.А. Плетнев, С.Г. Чулкин, Н.Е. Стариков, Б.М. Горшков

В статье реализована проверка математической модели, описывающей зависимости сипы трения скольжения от нагрузки на примере фрикционного взаимодействия ретинакса со стальной поверхностью при различных температурах. Показано, что изменение силы трения в паре «ретинакс-сталь» подчиняется обобщённому закону внешнего трения. Установлено, что критическая нагрузка уменьшается с ростом температуры.

Ключевые слова: обобщённый закон трения, внешнее трение скольжения, ретинакс, температура, фрикционное взаимодействие.

Известно, что ретинакс активно используются в качестве материала триботехнического назначения [1-4]. При этом давно известно, что из-за высокой температуры, возникающей при трении на поверхности ретинакса, развиваются физические и химические процессы на фрикционном контакте, изменяющие его состояние. Сила трения в случае приращения температуры в зоне трения ретинакса со сталью изменяется зависимостям, отличным от классического закона трения. В связи с этим, в границах данной работы, верифицируется новая математическая модель [57] для описания зависимости силы трения от нагрузки в паре трения «ретинакс - сталь» при различных температурах.

В работах [5-7] предложена следующая математическая модель, обобщённого закона внешнего трения скольжения:

^ = /во 1п(1 + ехр(^ • -Гп))), (1)

где /у — сила трения, /во —начальное значение дифференциального коэффициента трения (до смены режима трения), ^ — нормальная нагрузка, Д/ — приращение дифференциального коэффициента трения, — резкость перехода от одного режима трения к другому (по нормальной нагрузке), ^ — критическое значение нормальной силы.