МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРОНЕРОВНОСТЕЙ В ПРИСУТСТВИИ АДСОРБЦИОННОГО СЛОЯ ПРИ УПРУГОМ КОНТАКТЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ГИДРОПРИВОДА СДМ
Эксплуатация строительных и дорожных машин значительное время работы осуществляется вне установившихся режимов нагружения. Это приводит к повышению интенсивности износа трибосопряжений, следствием
чего является снижение показателей надежности машины, а точнее, снижение срока службы механизмов, в которых наблюдаются процессы трения.
Наиболее интенсивно процесс износа трибосопряжений развивается в граничном режиме смазки [2].
В соответствии с международным стандартом ISO 4378-3-1999 под граничной смазкой понимается такой вид смазки, которому не могут быть приписаны объемные вязкостные свойства и который определяется свойствами граничных слоев, возникающих при взаимодействии смазочного материала и поверхности трения в результате физической или химической адсорбции [1]
При контактировании граничные слои частично выдавливаются из зоны контакта и утончаются, при этом происходит сближение между поверхностями твердых тел [1].
Увеличение сближения вызывает возрастание площади фактического касания по адсорбционной пленке до тех пор, пока суммарная реакция по пленке не станет равной по величине и противоположной по направлению нормальной нагрузке. Если нагрузка превысит своё предельное значение, то происходит выдавливание адсорбционной пленки из зоны контактирования, что приводит к взаимодействию металлических поверхностей
микронеровностей. При этом площадь фактического контакта, включающая площадь по адсорбционной пленке и площадь металлического контакта, будет увеличиваться до тех пор, пока возникающие в зонах фактического контакта силы отталкивания не уравновесят внешние сжимающие силы.
Целью данной работы является оценка роли адсорбционной пленки ПАВ при упругом контакте поверхностей трения.
Задачами исследования являлось определение площадей контакта и нагрузок, приходящихся на адсорбционный слой и микронеровности при условии упругого контакта поверхностей трения в присутствии смазки в
зависимости от сближения поверхностей и радиуса кривизны микронеровностей на единичном микровыступе.
Согласно цели работы рассматриваем взаимодействие микронеровностей во второй зоне контактирования (рис. 1), когда в контакт вступают, как адсорбционная пленка ПАВ, так и упругодеформирующаяся микронеровность.
Рисунок 1 – Схема представления вершины микронеровности
Единичные микронеровности, в присутствии смазочного материала, моделируем сферическими сегментами. Схема их силового взаимодействия представлена на рис 2.
– контактное давление, – фактическая площадь контакта пленок, – радиус кривизны, соответственно первой и второй микронеровности, – толщина адсорбированной плёнки ПАВ на первой и второй микронеровности
Рисунок 2 – Схема взаимодействия микронеровностей
Расчётная модель контакта двух микронеровностей может быть приведена к контакту эквивалентной микронеровности с гладкой плоскостью [2, 3]. В этом случае применяем приведенные значения параметров шероховатости.
Суммарная контактная нагрузка, приходящаяся на единичный микровыступ, в условиях адсорбционной плёнки во второй зоне контактирования определяется выражением
, (1)
где – нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем во второй зоне контактирования;
– нормальная нагрузка при контактировании несмазанных микронеровностей.
Нормальную нагрузку при упругом контактировании несмазанных единичных микронеровностей можно определить на основании решения Герца [4]
, (2)
где – сближение контактирующих микронеровностей во второй зоне;
– приведенный радиус кривизны микронеровностей определяется из соотношения
, (3)
где – радиусы кривизны микронеровностей;
– эффективный модуль упругости сжимаемых микронеровностей определяется выражением
, (4)
где и – соответственно модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов контактирующих выступов обоих тел.
Для определения нагрузки, воспринимаемой адсорбционным слоем , в первом приближении, воспользуемся представлением об однородности полимолекулярного адсорбированного слоя, имеющего постоянные прочностные характеристики.
При этом для облегчения расчетов принимаем, что толщины адсорбированных слоёв ПАВ и радиусы кривизны на обеих
микронеровностях имеют одинаковую величину и . Величина сближения изменяется в пределах .
По данным работ [5, 6] упругая деформация смазочных слоёв происходит при давлении . При давлении происходит потеря полимолекулярным слоем упругости, что приводит к выдавливанию молекул из зоны контакта.
Эксперименты, проведенные А.С. Ахматовым [5], позволили установить, что толщина адсорбированных слоёв, в зависимости от вещества, из которого образуются эти слои, изменяется в пределах 0,05 – 0,1 мкм, а в некоторых случаях может достигать 1 мкм. Эти слои имеют вид квазикристаллических образований и обладают определенной несущей способностью, увеличивающейся по мере уплотнения слоя.
Исследования Л.В. Пановой механических свойств смазочных слоёв на поверхности металлов, проведенные методом "стопы", дали значения модуля сжатия ; модуля сдвига [6].
Используя приведенные значения, определим нагрузку, воспринимаемую адсорбционным слоем, расположенным в зоне единичного контакта микронеровностей, при условии, когда прочностные свойства по глубине адсорбционного слоя одинаковы [7]
, (5)
где – модуль упругости адсорбированного слоя ПАВ;
– площадь контакта пленок во второй зоне контактирования, определяется выражением
, (6)
где – толщина адсорбированной плёнки ПАВ.
Подставляя выражение (6) в (5), получим
. (7)
Таким образом, суммарная нагрузка, приходящаяся на единичный упругий контакт микронеровностей в зоне взаимодействия выступов определяется выражением
. (8)
Для расчетов принимаем толщину адсорбционной пленки мкм, приведенный радиус кривизны микронеровности рассчитываем по схеме, представленной на рис. 1, согласно которой
, (9)
где – средний шаг неровностей, мкм.[8].
По характерным классам чистоты поверхности гидропривода выбираем средний шаг неровностей , так для аксиально-поршневого насоса 210.225 гильзы блока цилиндров обработана по 8 классу чистоты, сфера сопряжения с распределителем по 10 классу чистоты, сфера сопряжения с блоком цилиндров распределителя обработана по 12 классу чистоты.
Результаты расчетов представлены на рис. 3, 4.
Оценку роли адсорбционной пленки проведем с помощью % сравнения между суммарной нагрузкой, приходящейся на единичный упругий контакт
микронеровности и нагрузкой, воспринимаемой адсорбционным слоем ПАВ
. (10)
Для расчетов принимаем следующие данные:
- толщина адсорбционной пленки, мкм;
- приведенный радиус кривизны микронеровности, мкм;
- сближение поверхностей, мкм;
- модуль упругости, Па;
- коэффициент Пуассона, .
Рисунок 3 – График зависимости нагрузки при металлическом контакте от сближения для различных радиусов кривизны микронеровностей
Рисунок 4 – График зависимости нагрузки, воспринимаемой адсорбционным слоем ПАВ от сближения для различных радиусов кривизны микронеровностей
Таким образом подставляя данные в формулу (10) получим
.
Из чего следует, что нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем ПАВ при условии упругого металлического контакта не играет ведущей роли в процессе перераспределения контактного давления.
Выводы
Характер взаимодействия поверхности сопряженных пар гидропривода определяется радиусом кривизны микронеровностей в контакте.
Нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем ПАВ при условии упругогометаллического контакта, значительно различается в зависимости от класса чистоты поверхности сопряженных пар гидропривода, но не играет существенной роли в процессе перераспределения контактного давления по микронеровности.
Дата добавления: 2015-05-28; просмотров: 1347;