4_Kuzmenko.doc Дослідження на фреттинг - знос по схемі стиснених плоских консольних пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 28 Кузьменко А.Г., Яріш Ю.В. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: tribosenator@gmail.com ДОСЛІДЖЕННЯ НА ФРЕТТИНГ - ЗНОС ПО СХЕМІ СТИСНЕНИХ ПЛОСКИХ КОНСОЛЬНИХ ПЛАСТИН УДК 621.891 Дослідження проведені з метою поглибленого вивчення явища фреттингу стосовно листових ресор автомо- біля. Для цього розроблена теоретична модель зношування вибраного вузла, яка базується на методі випробувань на фреттинг-знос за схемою згину двошарових консольних пластин без змащування та з використанням суміші Літол-24 з бронзовим порошком. Встановлено підвищення фреттингостійкості з використанням змащування. Ключові слова: фреттинг-знос, контакт, знос, консольні пластини, пляма контакту, модель зносу. Вступ На сьогодні більшість вузлів тертя працюють в умовах дії вібрацій. При мінімальних повторю- ваних локальних переміщеннях двох поверхонь одна відносно одної в умовах корозійного середовища виникає фреттинг-знос. Фреттинг-знос при високих частотах переміщень і малих амплітудах досить суттєво руйнує по- верхневі шари контактуючих поверхонь, зменшуючи ресурс зношуваних деталей та вузлів в цілому. То- му розробка методів досліджень поверхонь на фреттинг-корозію актуальна на даний час для зменшення її дії та підвищення зносостійкості листових ресор. Мета і постановка задачі Метою даної роботи є розробка і застосування методів випробувань на фреттинг-знос та підви- щення зносостійкості контактуючих поверхонь листових ресор автомобіля. Для досягнення поставленої мети потрібно виявити та описати виникнення фреттинг-зносу, роз- робити математичну модель процесу тертя двох поверхонь з урахуванням частоти та амплітуди перемі- щень вібраційного стола та досліджуваних деталей, визначити шлях тертя досліджуваних деталей. Виклад матеріалів досліджень Теорія експерименту Схема та механіка контакту Рис. 1 – Схема контакту двох консолей, стиснених на кінці силою Q, тиском σ на площі F = l1 l2 Переміщення проковзування в контакті kS : hSk θ2= , (1) де θ – кут повороту перерізу; h – товщина консольної балки. Для консолі відомі співвідношення: EI Pl f 3 3 = ; (2) EI Pl 2 θ 2 = ; (3) mailto:tribosenator@gmail.com Дослідження на фреттинг - знос по схемі стиснених плоских консольних пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 29 ( ) ( ) 3 2 233 2 23 l EI Pl EI Pl Q f =⋅=→ ; (4) ( ) ( ) l f 2 3 θ24 =→→ ; (5) ( ) ( ) h l f S k 22 3 15 =→→ ; (6) шлях тертя за час t : ( ) ntStS k= . Вимірювання У процесі досліджень площина-площина утворюється пляма контакту як на поверхні 1, так і на поверхні 2; у першому наближенні відповідно до еліпса (рис. 2) з розмірами та максимальною глибиною h . Величини a2 , b2 вимірюються з точністю до 10 мкм, величина h вимірюється з точністю до 1 мкм; аналогічним чином вимірюються розміри плями зношування на другій поверхні. Рис. 2 – Схема вимірювань плями зношування Припущення Вважаємо, що плями контакту утворені взаємодією двох тіл подвійної кривизни; іншими слова- ми припускаємо, що поверхня плями зносу описується поверхнею подвійної кривизни. Радіуси поверхонь (рис. 3) Рис. 3 – Схема контакту тіл подвійної кривизни Розрахункові залежності: з врахуванням припущення з рисунка 2 можна записати: h b R 2 2 1 = ; h a R 2 2 2 = ; (7) ( ) h ab h ba RRR / / * 24 21 2 22 21 21 =      =⋅= ; (8) h a h ab R ** 22 2 == . (9) Визначення параметрів моделі зносу: 1) за результатами вимірювань розмірів площадки контакту (зношування) a2 і b2 визначається приведений радіус кругової площадки: Дослідження на фреттинг - знос по схемі стиснених плоских консольних пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 30 ( )1/2aba* = ; (10) 2) за таблицями і графіками ( )Sa* вибираються базові точки ( )1*a , 1S ; ( )2*a , 2S для визна- чення параметрів апроксимації степеневої функції: βcsa* = ; (11) 3) за залежностями: ( ) ( )( ) ( )21 21 log log β SS aa **= ; (12) ( ) β11 Sac *= ; (13) 4) параметри m , wK визначаються за формулами: ( ) 2β2β1 −=m ; (14) ( )( ) * m m w RQm c K π22 22 + = + . (15) Порівняння фреттингостійкості різних варіантів пар тертя: 1) порівняння за глибиною зношування h : 21ε hh= ; (16) 2) порівняння за площею плями зношування: 2 *II 2 *I π π ε a a = ; (17) 3) порівняння за зношуванням, обчисленим за параметрами моделі зношування: 2 1 2 2 1 1 2 1 σ σ ε SK SK u u m w m w w w == ; (18) або 21 2 1 σε mm w w K K −⋅= . (19) Техніка експерименту Установка для досліджень включає робочу частину зі зразками у вигляді двох плоских консоль- них пластин, притиснених у кінці заданою силою Q і механічний вібратор. Порядок досліджень: 1) задати вихідні дані: навантаження Q , площа контакту F , частота віб- рацій n і спосіб змащування; 2) під час досліджень періодично вимірювати розміри плями зношування та глибину зношування. Порядок обробки результатів вимірювань ведеться відповідно до методики, описаної раніше. Реалізація експерименту Установка УМ-9 Вихідні дані установки УМ-9: сила стискання пластин: Q = 65 кг; розміри та площа стиснених плоских поверхонь на кінці консолей: 1l = 19,5 мм; 2l = 29,5 мм; 21= llF = 575,25мм; тиск в контакті: F Q =σ ; (20) товщина пластини (балки): h = 1,2 мм; амплітуда переміщень консолей: f = 2,7; розмір консолі: l = 177,5 мм. Шлях тертя ковзання в плоскому контакті: - проковзування за один цикл за формулою (6): 0,15 177,5 3,32,733 = ⋅⋅ == l fh S k мм; - проковзування за час t = 60 хв: ( ) 3100,96010000,1560 ⋅=⋅⋅== ntSS k мм. Дослідження на фреттинг - знос по схемі стиснених плоских консольних пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 31 Результати досліджень представлені в табл. 1. Таблиця 1 Результати досліджень зі змащуванням та без нього Без змащування № п/п t , хв 310⋅S , мм a2 , мм a , мм b2 , мм b , мм h , мкм *a , мм 1 60 0,9 3,5 1,75 1,1 0,55 6 0,9 2 120 1,8 5,6 2,8 1,2 0,6 8 1,3 3 180 2,7 5,8 2,9 1,4 0,7 9 1,4 4 240 3,6 5,9 2,95 1,5 0,75 11 2,2 5 300 4,5 7,1 3,55 1,9 0,95 14 3,3 Зі змащуванням (Літол-24 + бронзовий порошок) № п/п t , хв 310⋅S , мм a2 , мм a , мм b2 , мм b , мм h , мкм *a , мм 1 60 0,9 2,2 1,1 0,5 0,25 5 0,52 2 120 1,8 3,2 1,6 0,9 0,45 8 0,85 3 180 2,7 3,5 1,75 1,1 0,55 9 0,96 4 240 3,6 3,7 1,85 1,3 0,65 10 1,2 5 300 4,5 4,0 2,0 1,6 0,8 11 1,26 Визначення параметрів моделі зношування (дослід без змащування): 1) базові точки: 0,91 =a мм; 3 1 100,9 ⋅=S мм; 2,22 =a мм; 3 2 104,5 ⋅=S мм; 2) параметри β, с: ( ) ( ) ( ) ( ) 0,480,7 0,34 104,5100,9log 2,20,9log log log β 33 21 21 == ⋅⋅ == SS aa ; ( ) 0,033 100,9 0,9 c 0,483β 1 1 = ⋅ == S a ; 3) параметри m , wK : 0,042 0,482 0,4821 2β 2β1 = ⋅ ⋅− = − =m ; ( )( ) 6 0,042 2,08422 105,7 3,14 65 2,084 0,033 π22 − + ⋅=       = + = * m m w RQm c K мм2/кг; 4) приведений радіус: 50 10102 1,2 2 3 22 = ⋅⋅ == −h a R* мм. Визначення параметрів моделі зношування (дослід із мастилом Літол-24 і бронзовим порошком) 1) базові точки: 0,61 =a мм; 3 1 100,9 ⋅=S мм; 1,32 =a мм; 3 2 104,5 ⋅=S мм; 2) параметри β, с: ( ) ( ) ( ) ( ) 0,470,7 0,33 104,5100,9log 1,30,6log log log β 33 21 21 == ⋅⋅ == SS aa ; ( ) 0,025 100,9 0,6 c 0,473β 1 1 = ⋅ == S a ; 3) параметри m , wK : 0,064 0,472 0,4721 2β 2β1 = ⋅ ⋅− = − =m ; ( )( ) 6 0,064 2,12822 103,19 3,14 65 2,084 0,025 π22 − + ⋅=       = + = * m m w RQm c K мм2/кг. Дослідження на фреттинг - знос по схемі стиснених плоских консольних пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 32 Порівняння фреттингостійкості пар тертя: без змащування; з мастилом Літол-24 + бронзовий порошок. База і умови порівняння по схемі площина-площина: тиск: σ = 0,113 кг/мм2; частота: n = 1000 об/хв; амплітуда ковзання: kS = 0,15 мм; загальна тривалість досліджень: 5 год. Порівняння по глибині плями зношування: без змащування 14=h мкм; зі змащуванням h = 11 мкм; коефіцієнт зниження зношування ε : ( ) ( ) 1,271114ε === змhзмбh , тобто змащування знижує зношування в 1,27 раз. Порівняння по площі плями зношування: 1) площа плями зношування без змащування: ( ) 35,73,37π 2 =⋅=змбF мм2; 2) площа плями при наявності мастила: ( ) 51,26π 2 =⋅=змF мм2; 3) коефіцієнт зниження зношування ε : ( ) ( ) 7,14535,7ε === змFзмбF раз. Порівняння з допомогою параметрів моделі зношування: 1) формул порівняння (19): 21 2 1 2 1 σε mm w w w w K K u u −⋅== ; 2) дані для обчислень при: ( ) -6105,7 1 ⋅=змK w ; ( ) 0,04211 == mзмбm ; ( ) -6103,19 2 ⋅=змK w ; ( ) 0,06422 == mзмm ; 0,113σ = кг/мм2; 3) обчислення: ( )( ) 1,970,113 103,19 105,7 ε 0,0640,0426- -6 = ⋅ ⋅ = − , тобто зниження фреттинг-зносу за рахунок змащування по цьому способу оцінюється в 1,97 раз. Підсумкова таблиця оцінки ефективності мастила Літол-24 з бронзовим порошком. Таблиця 2 Оцінка ефективності мастила Літол-24 з бронзовим порошком № п/п Спосіб порівняння Коефіцієнт зниження зносу 1 за глибиною h 1,27 2 за площею F 7,0 3 за моделлю зносу 1,97 Висновки Запропоновані варіанти методик досліджень на фреттинг-знос за схемою «площина-площина» при стисненні двох консольних пластин: 1) порівняння за глибиною зносу в зоні площадки зносу; 2) порівняння за величиною площадки фреттинг-зносу; 3) порівняння за моделлю зносу як поверхонь подвійної кривизни; 4) найбільш проста та достовірна методика порівнянь за глибиною; Встановлене зменшення зношування контактуючих поверхонь при використанні суміші змащу- вальної рідини Літол-24 з бронзовим порошком (табл. 2). Література 1. Фесик С.П. Справочник по сопротивлению материалов. – К.: Будивельник, 1979. – 308 с. 2. Писаренко Г.С. Справочник по сопротивлению материалов. – К.: Наукова думка, 1988. – 736 с. 3. Кузьменко А.Г. Прикладная теория методов испытаний на износ. – Хмельницкий: ХНУ. – 579 с. Поступила в редакцію 18.06.2013 Дослідження на фреттинг - знос по схемі стиснених плоских консольних пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 33 Kuzmenko A.G., Yarish Yu.V. Study on fretting wear under the scheme compressed flat plates console. Today most friction units operating under conditions of vibration. With minimal local repetitive movements of the two surfaces relative to each other in a corrosive environment there fretting wear. Fretting wear at high frequencies and small amplitudes of motion quite significantly destroys the superficial layers of the con- tacting surfaces, reducing life wearing parts and components in general. Therefore, the development of methods to study sur- faces fretting corrosion is relevant at this time to reduce its performance and increase durability leaf springs. Key words: fretting wear, contact, wear, console inserts, dropwise contact, model installment. References 1. Fesik S.P. Spravochnik po soprotivleniyu materialov. K: Budivelnik, 1979. 308 s. 2. Pisarenko G.S. Spravochnik po soprotivleniyu materialov. K.: Naukova dumka, 1988. 736 s. 3. Kuzmenko A.G. Prikladnaya teoriya metodov ispytaniy na iznos. Khmelnitskiy: KHNU. 579 s.