Определение нагрузки в единичном контакте микронеровностей с учётом адсорбционного слоя ПАВ

УДК 621. 891

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ В ЕДИНИЧНОМ КОНТАКТЕ МИКРОНЕРОВНОСТЕЙ С УЧЁТОМ АДСОРБЦИОННОГО

СЛОЯ ПАВ

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

Ю.Б. Яницкий, студент, ХНАДУ

Аннотация. Приведена модель взаимодействия микронеровностей сопряженных пар с учетом адсорбированного слоя ПАВ при условии отсутствия между ними металлического контакта. Определена площадь контакта адсорбированного слоя ПАВ по микронеровностям и нагрузка, воспринимаемая адсорбированным слоем, на единичном микровыступе.

Ключевые слова: микронеровность, адсорбированный слой, площадь контакта, воспринимаемая нагрузка.

Введение

Гидроагрегаты строительных и дорожных машин (СДМ) периодически работают в условиях неус-тановившихся режимов нагружения, что приводит к повышенному износу сопряженных поверхностей, поэтому применяемая рабочая жидкость (РЖ) должна быть способна образовывать на поверхностях трения прочный смазочный слой, который способен выдерживать контактную нагрузку, возникающую в паре трения.

Анализ публикаций

Трение в условиях граничной смазки является наиболее часто встречаемым для работы элементов гидропривода [1]. Этот режим смазки возникает в условиях высоких контактных нагрузок, температур, а также при низких скоростях перемещения поверхностей друг относительно друга.

При граничной смазке происходит частичное разрушение граничного слоя, приводящее к появлению непосредственного контакта отдельных микронеровностей поверхностей трения и сопровождающегося процессом их изнашивания. Отсюда вытекает значение качества поверхностного слоя и применяемой РЖ, влияющих как на прочность, так и износостойкость элементов гидропривода СДМ.

РЖ, применяемые в гидроприводах СДМ, представляют собой многокомпонентные углеводородные жидкости на нефтяной основе. Одним из основных компонентов являются поверхностноактивные вещества (ПАВ). Адсорбируясь на поверхностях трения ПАВ образуют защитные сма-

зочные слои, препятствующие непосредственному контакту поверхностей в условиях граничного трения.

В свою очередь качество поверхностей трения определяется совокупностью физических свойств

- микрогеометрией, микроструктурой, степенью деформации поверхностного слоя и его напряженностью. Выбор необходимого качества поверхности элемента трибосопряжения определяется условиями ее работы и зависит от нагрузки, скорости, температуры, характера трения и применяемой РЖ [2].

Возможность прогнозирования на этапе проектирования узла трения величины рациональной микрогеометрии поверхности позволяет задавать такие виды технологической обработки поверхностей и классы шероховатости поверхности, которые обеспечивают минимальный износ сопряжений. Основной период времени работы СДМ занимает режим установившейся работы. В таком режиме устанавливается вполне определённая шероховатость трущихся поверхностей, которая автоматически поддерживается постоянной при неизменных начальных условиях [3].

Свойства поверхностных слоёв твёрдых тел отличаются от свойств нижележащих слоёв в силу особенностей их образования. Поверхность пары трения создается путем какой-либо механической обработки ее поверхностей. При механической обработке поверхности металлов всегда происходит пластическая деформация поверхности на ту или иную глубину в зависимости от способа обработки. Это сопровождается повышением твёрдости, предела текучести поверхностного слоя,

появлением остаточных внутренних напряжений значительной величины и различного знака [4]. Кроме того, поверхности металла присуще наличие значительной свободной поверхностной энергии. Объясняется это тем, что расположенные на поверхности атомы, в отличие от атомов в объеме, имеют свободные незамещенные связи, создающие силовое поле - поле атомного (молекулярного) притяжения [5].

При контактировании граничные слои частично выдавливаются из зоны контакта и утончаются, при этом происходит сближение между поверхностями твердых тел [6]. 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.

Цель работы и постановка задачи

Целью настоящей работы является определение нагрузки в единичном контакте микронеровностей с учетом адсорбционного слоя ПАВ в зависимости от класса чистоты поверхности сопряженных пар при условии отсутствия металлического контакта.

Задача - Определение фактической площади контакта адсорбционного слоя ПАВ и нагрузки, воспринимаемой адсорбционным слоем микронеровности, в зависимости от сближения поверхностей и радиуса кривизны микронеровностей на единичном микровыступе.

Модель взаимодействия микронеровностей

Трибосопряжение состоит из двух микронеровностей и смазочной среды. Взаимодействие элементов контактирования условно можно разделить на две зоны. К первой зоне отнесём случай контактирования поверхностей через адсорбированные плёнки ПАВ, т.е. когда отсутствует непосредственный металлический контакт микронеровностей. Вторая зона характеризуется взаимодействием микровыступов, в этом случае нагрузка воспринимаемая микронеровностями передаётся как на материал твёрдого тела, так и на адсорбированный слой (рис. 1). Нагрузка прикладывается нормально относительно основания микронеровности.

Рис. 1. Схема представления вершины микронеровности

Согласно цели работы, по условию отсутствия металлического контакта, рассматриваем только контактирование в первой зоне.

Расчётная модель контакта двух микронеровностей может быть приведена к контакту эквивалентной микронеровности с гладкой плоскостью. [7, 8]. В этом случае применяем приведенные значения параметров шероховатости.

Рассмотрим контактирование единичных микронеровностей в присутствии смазочного материала, моделируемых сферическими сегментами.

При условии, когда прочностные свойства адсорбционного слоя по глубине одинаковы, мгновенное значение фактической площади единичного контакта микронеровности по плёнке определяется выражением:

5пл = п(2А(^пр +5™) - &),

где h - сближение, м; 5пл - толщина адсорбционной пленки ПАВ, м; RTIp - приведенный радиус

кривизны микронеровностей, определяется из соотношения:

Япр =

^ ‘

R + Я2

где R1, Я2 - радиусы кривизны, соответственно, первой и второй микронеровностей, м.

При этом для облегчения расчетов принимаем, что толщины адсорбированных слоёв ПАВ и радиусы кривизны на обеих микронеровностях

имеют одинаковую величину 5™ = 5™ = 5™ и R1 = Я2 = Япр. Величина сближения h определяется из условия упругости смазочных слоёв и изменяется в пределах h < 5пл.

По данным работ [5, 9] упругая деформация смазочных слоёв происходит при давлении р < 5 - 6 МПа . При давлении р > 5 - 6 МПа происходит потеря полимолекулярным слоем упру-

гости, что приводит к выдавливанию молекул из зоны контакта.

Эксперименты, проведенные А.С. Ахматовым [5] по изучению затухающих колебаний наклонного маятника, 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 достаточно правильных кристаллических образований и обладают определенной несущей способностью, увеличивающейся по мере утончения слоя.

В первом приближении, воспользуемся представлением об однородности полимолекулярного адсорбированного слоя, имеющего постоянные прочностные характеристики.

Нагрузка, воспринимаемая адсорбированным слоем ПАВ и действующая в зоне единичного контактирования, при условии, когда прочностные свойства адсорбционного слоя по глубине одинаковы, определяется из выражения [10]:

жпл = Е™-е • 5”

где Е™ - модуль сжатия адсорбционной пленки ПАВ, Е™ = 60 МПа [9]; е - относительное сжатие, определяем из граничных условий разрушения абсорбционной пленки:

Е=

где стпр - предельное давление разрушения адсорбционной пленки, ст™ = 5 МПа [7, 9].

Подставляя в выражение (3) значение (1) и (4) получим:

Nпл = п-ст™ • И2(2^ +8™) - И).

Для расчетов принимаем толщину адсорбционной пленки 5пл = 0,1 мкм, приведенный радиус кривизны микронеровностей Rпр рассчитываем по схеме, представленной на рис. 1, согласно кото-

рои

Т

Т> — т

где Тт - средниИ шаг неровностей [11], мкм.

По характерным классам чистоты поверхности гидропривода выбираем средний шаг неровно-

стей Тт, 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 приведены на рис. 2.

Рис. 2. График изменения нагрузки, воспринимаемой адсорбированным слоем ПАВ, при единичном контактировании, в зависимости от сближения, при различных классах чистоты поверхностей

Из графика, представленного на рис. 2 видно, что нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем ПАВ при единичном контактировании, существенно зависит от радиуса кривизны микронеровности, и при 8 классе чистоты поверхности в 2 раза больше получаемой при 12 классе чистоты и в 1,5 раза при 10 классе чистоты поверхности.

Рис. 3. График изменения нагрузки в зависимости от сближения и толщины адсорбированной пленки

На рис. 3 представлен график, на котором по оси х отложена толщина пленки, изменяющаяся от 0 до 1 мкм, по оси у отложена величина сближения

- от 0 до 1 мкм, а по оси z - величина нагрузки, воспринимаемой адсорбционным слоем, для микронеровности с радиусом кривизны Я = 10 мкм -У10. При анализе графика видно, что с увеличением толщины адсорбированной пленки от 0,1 до

ст

1 мкм величина воспринимаемой нагрузки увеличивается более чем на 2 порядка.

Выводы

Характер взаимодействия микронеровностей сопряженных пар гидропривода СДМ определяется их радиусом кривизны микронеровностей, а также толщиной адсорбционной пленки ПАВ.

Нагрузка, воспринимаемая адсорбционным слоем ПАВ при условии отсутствия металлического контакта, существенно различается в зависимости от класса чистоты поверхности сопряженных пар гидропривода.

Литература

1. Войтов В. А. Конструктивная износостойкость

узлов трения гидромашин. Часть II. Методология моделирования граничной смазки в гидромашинах. - Харьков: Центр Леся Кур-баса, 1997. - 152 с.

2. Грозин Б. Д. и др. Повышение эксплуатацион-

ной надёжности деталей машин. - М: Маш-гиз, 1960. - 296 с.

3. Литвинов А. А., Некипелов Ю. Г. Механизмы

саморегулирования в смазанных трибоси-стемах // Вопросы авиационной химмотологии: Сб. науч. тр. - К.: КИИГА. - 1983. -С. 23-28.

4. Айнбиндер С. Б., Тюнина Э. Л. Введение в тео-

рию трения полимеров. - Рига: Зинатне, 1978. - 224 с.

5. Ахматов А. С. Молекулярная физика гранично-

го трения. - М: Физматгиз, 1963. - 472 с.

6. Литвинов В. Н., Михин Н. М., Мышкин Н. К.

Физико-химическая механика избирательного переноса при трении. - М: Наука, 1979.

- 187 с.

7. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комба-

лов В. С. Основы расчета на трение и износ.

- М: Машиностроение, 1977. - 525 с.

8. Дёмкин Н. Б. Контактирование шероховатых

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

9. Сердобинцев Ю. П., Шаравин С. И. Трение и

износ гетерогенных покрытий в условиях граничной смазки. Часть 2. Граничное трение при скольжении деталей с упрочняющими покрытиями // Трение и износ. - 1992.

- Т. 13. - № 6. - С. 985-991.

10. Сопротивление материалов / Писаренко Г. С.,

Агарев В. А., Квитка А. Л., Попков В. Г., Уманский Э. С. - К.: Вища школа, 1986. -775 с.

11. Хусу А. П., Витенберг Ю. Р., Пальмов В. А.

Шероховатость поверхностей (теоретиковероятностный поход). - М: Наука, 1975. -344 с.

Рецензент:

Статья поступила в редакцию

г.