Реферат: Дисипативні властивості фрикційного контакту та їхній вплив на фретингостійкість трибосистем

, (1)

де A ₀ − початкова величина амплітуди коливань; − амплітуда N _e -го коливання.

При подачі на котушку 6 коротких періодичних імпульсів струму для забезпечення поповнення втрат енергії маятника за цикл із частотою, рівною частоті власних коливань маятника, в установці реалізується нанесення пошкоджень на контактуючі поверхні зразків у режимі попереднього зміщення. Це дозволяє досліджувати еволюцію дисипативних властивостей контакту в процесі фретингу з частковим проковзуванням.

При модернізації триборелаксатор було додатково оснащено спеціальною приставкою для нанесення пошкоджень на контактуючі поверхні зразків при фретингу з повним проковзуванням та пружинним динамометром для вимірювання моменту найбільшої сили тертя спокою .

Для проведення досліджень використовувалися сталеві пари зразків (рис. 1, б). Кільцева площадка контакту мала зовнішній діаметр, рівний 5 мм, і внутрішній, рівний 3 мм. Величина амплітуди коливань визначалася на середньому радіусі контактної площадки.

Розглянуто механізми розсіювання енергії, які діють в коливальній системі триборелаксатора. Показано, що при дослідженні, пов’язаному з дією певного механізму, вимірювання слід проводити в таких умовах, коли внесок у загальне розсіювання за рахунок інших механізмів (фон) був би якомога меншим.

Оскільки вимірюване під час досліджень на триборелаксаторі попереднє зміщення фактично являє собою суму двох складових – попереднього зміщення, обумовленого об’ємною пружною деформацією коливальної системи, та контактного попереднього зміщення, – на основі побудови та розв’язання математичних моделей коливальної системи отримано вираз для визначення початкової амплітуди контактного попереднього зміщення:

, (2)

де A ₀₂ , ν –початкова величина амплітуди попереднього зміщення, що визначається за показниками датчика переміщень триборелаксатора, та частота коливань маятника триборелаксатора відповідно при випробовуваннях пари зразків; ν₀ – частота коливань маятника при випробовуванні спеціального монолітного зразка (рис. 1, б), форма і розміри якого повторюють зовнішню конфігурацію сполученої пари зразків.

Фретинг-дослідження також здійснювались на установці МФК-1, в якій передбачено контроль основних параметрів, які визначають умови та інтенсивність поверхневого руйнування (сила тертя, питоме навантаження, частота та амплітуда коливань, число циклів навантаження). Досліджувані зразки були виконані у вигляді втулки та суцільного циліндра. Контакт здійснювався по торцях при крутильному коливальному русі втулки відносно нерухомого циліндра.

Третя глава присвячена дослідженням дисипативних властивостей контакту при реверсивному попередньому зміщенні. Досліджувався вплив таких факторів, як початкова амплітуда коливань, нормальний тиск, температура у зоні контакту, структурний стан матеріалу зразків, мікрошорсткість контактуючих поверхонь та тривалість часу контактування.

Встановлено, що при всіх досліджених навантаженнях із збільшенням амплітуди аж до граничного значення [A₀ ], при якому зсувна сила стає рівною найбільшій силі тертя спокою, енергія, що розсіюється, зростає. Підвищення нормального тиску викликає збільшення граничного значення амплітуди [A₀ ].

Для амплітуд, що не перевищують граничних значень, із збільшенням нормального навантаження логарифмічний декремент коливань зменшується (рис. 2, криві 1-5). Це свідчить про зниження дисипативних властивостей контакту внаслідок збільшення його тангенціальної жорстокості в результаті зростання зближення нерівностей та розвитку адгезії. Про підвищення тангенціальної жорстокості контакту із збільшенням нормального навантаження свідчить відповідне зростання квадрата частоти коливань (рис. 2, крива 7). Одночасно виявляється зростання граничних значень логарифмічного декременту коливань (граничної демпфірувальної здатності) [δ] (рис. 2, крива 6), із перевищенням яких починається проковзування, та моменту найбільшої сили тертя (рис. 2, крива 8). Із зростанням тиску також змінюється вид деформації: від пружної до пружно-пластичної. На рис. 2 відповідні області умовно поділені штрих-пунктирною лінією (область А відповідає пружному контакту, область В – пружно-пластичному, область С – умовам проковзування).

Встановлено, що з підвищенням температури відбувається зниження демпфірувальних властивостей контакту. Очевидно, що з огляду на те, що досліджувана сталь є феромагнетиком, варто враховувати температурну залежність декременту, обумовлену магнітомеханічним гістерезисом (магнітопружним згасанням). Відомо, що цей вид втрат, який дає значний внесок у загальний рівень згасання, істотно знижується з підвищенням температури. Крім того, можливий прояв деформаційного старіння, який сприяє зростанню пружності матеріалу. Варто також враховувати, що при термічному розширенні зразків, які формують сполучення, додатково підвищується контактний тиск. Це повинно сприяти зниженню декременту коливань за двома причинами: внаслідок зростання жорсткості контакту, а також через зменшення внеску магнітопружного згасання, що має місце при збільшенні статичних стискаючих напружень.

Встановлено, що зі збільшенням часу контактування спостерігається зменшення логарифмічного декременту коливань. Порівняно крута часова залежність декременту коливань в контакті сталі 45, яка пройшла загартування та відпуск при температурі 200 ⁰ С,може бути пояснена високою мікроповзучістю структури, сформованої в процесі термообробки. Відпущена при температурі 400 ⁰ С сталь має сильно подрібнену структуру, яка являє собою феритно-цементитну суміш із мілкими цементитними частками, і високу щільність закріплених карбідами дислокацій та характеризується повним розпадом залишкового аустеніту і виходом твердого розчину з перенасиченого стану. Така стабілізація структури сталі веде до різкого зростання її опору мікродеформаціям і зумовлює пологу часову залежність логарифмічного декременту коливань. В результаті високого відпуску відбувається коагуляція цементитних часток, що створює умови, які сприяють підсиленню мікроповзучості і, як наслідок, інтенсивному зниженню логарифмічного декременту коливань високовідпущених зразків.

Показано, що дисипативні властивості контакту залежать від структурного стану сталі, який визначається термічною обробкою (рис. 3). При малих амплітудах найбільше значення логарифмічного декременту коливань мають загартовані зразки, а при великих – високовідпущені.

У вуглецевих та низьколегованих сталях амплітуднозалежне внутрішнє тертя визначається двома основними механізмами: магнітомеханічним та структурно-дислокаційним. У загартованої і низьковідпущеної сталі переважають відносно невисокі структурно-дислокаційні втрати, а магнітопружне згасання майже повністю відсутнє; тому декремент мало залежить від амплітуди. З підвищенням температури відпуску твердість сталі зменшується, що повинно полегшити зминання плям контакту та викликати зниження демпфірувальної здатності контакту. Але з підвищенням температури відпуску і збільшенням амплітуди коливань набагато зростає внесок у загальний рівень втрат магнітопружного згасання, що і обумовлює сильне згасання у контакті.

Встановлено, що зі збільшенням шорсткості, яка відповідає реальним поверхням тертя, амплітудна залежність логарифмічного декременту коливань зростає так, що різниця в здатності до дисипації енергії стає більш вираженою при підвищених амплітудах коливань. В діапазоні досліджених значень параметра шорсткості R_z з його зростанням відбувається більш глибоке взаємне проникнення виступів контактуючих поверхонь і збільшення деформації локальних об’ємів. У цьому випадку адгезійна складова втрат невелика, а результуючі механічні втрати в основному визначаються гістерезисним (дислокаційним, магнітопружним) і мікропластичним внутрішнім тертям.

У четвертій главі описано дослідження зміни дисипативних властивостей контакту на ранніх стадіях низькоамплітудного фретингу.

Зміна дисипативних властивостей фрикційного контакту контролювалася в процесі двох режимів фретингування. Перший режим відповідав низькоамплітудним вібраціям у номінально нерухомому контакті (режим попереднього зміщення), другий – умовам, при яких відбувалося відносне проковзування зразків з амплітудою 20 мкм. В обох випадках після напрацювання заданої кількості циклів фретингування установка без порушення цілісності сполучення переводилася в режим вимірювання логарифмічного декременту коливань.

Контактне демпфірування в режимі попереднього зміщення визначається переважно двома процесами: знакозмінною пружно-пластичною деформацією (непружністю) найбільш навантажених ділянок різнорівневого дискретного контакту і субмікропроковзуванням на менш стиснутих мікровиступах. Зниження втрат спостерігається вже на початковій стадії фретингу і, очевидно, обумовлено трьома основними причинами: а) збільшенням пружної і зменшенням в’язкої складової деформації плям фактичного контакту при зростанні зближення нерівностей; б) частковим руйнуванням природної окисної плівки та зростанням адгезії ювенільних ділянок; в) зниженням рухливості магнітних доменів.

Результати дослідження зміни дисипативних властивостей контакту в умовах фретингу з повним проковзуваннямпредставлено на рис. 4. Спочатку до певного напрацювання циклів фретингування залежності механічних втрат від амплітуди коливань А_о поступово знижуються (рис. 4, криві 1-2), а потім знову стають більш вираженими (рис. 4, криві 3-5). Така зміна характеру амплітудних залежностей супроводжується синхронною зміною квадрата частоти коливань ν² (рис. 4, криві 1'-5') і граничного значення логарифмічного декременту коливань [δ], що відповідає критичній амплітуді [А_о ] попереднього зміщення, при перевищенні якої починається проковзування.

Вказаним вище закономірностям відповідають зміни поточних значень δ при даному значенні А₀ . Приклади таких залежностей наведені на рис. 5 (криві 1-3).

При випробуванні зразків із підвищеною шорсткістю робочої поверхні (рис. 5, крива 5) порошкоподібні продукти фретинг-корозії зосереджуються в западинах, і контакт здійснюється виступами, що викликає спостережуване зростання втрат. На більш гладких поверхнях контакту на першому етапі припрацювання превалює тертя в прошарку металоокисної суміші; причому з підвищенням класу чистоти і зниженням амплітуди фретингу зростає складова тертя кочення по вільних продуктах зношування.

Отримані амплітудні залежності логарифмічного декременту коливань було представлено на основі теорії Гранато і Люкке, згідно якої амплітудна залежність логарифмічного декременту коливань описується виразом:

, (3)

де ε ₀ – відносна амплітуда деформації; С ₁ – величина, пропорційна щільності дислокацій; С ₂ – величина, обернено пропорційна середній довжині дислокаційних сегментів L_с .

Залежність від представляється рівнянням

, (4)