14_Stelmah.doc Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 96 Стельмах А.У. Национальный авиационный университет, г. Киев, Украина АДГЕЗИОННО-ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГРАНИЧНЫХ СЛОЯХ. СООБЩЕНИЕ II. НОВЫЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ ТРИБОСИСТЕМ Введение Повышение работоспособности трибосистем с граничным трением, являющееся одним из ос- новных и актуальных направлений современной трибологии. Решение проблем граничного трения в зна- чительной степени зависит от эффективности используемых методов исследования граничных слоев. В граничных слоях трибосистем протекает комплекс взаимосвязанных физико-химических, физико- механических и гидродинамических процессов, оказывающих доминирующее влияние на трибологиче- ское поведение контакта. Существующая современная диагностика систем «твердое тело – смазочная среда – твердое тело» основана, главным образом, на изучении физико-химических и физико- механических явлений на рабочих поверхностях трибоконтакта с использованием традиционных мате- риаловедческих методов анализа их состава и структуры [1 - 3]. При этом практически полностью игно- рируется исследование динамических процессов в граничных слоях, что обусловлено существующим традиционным адгезионно-деформационным подходом к проблеме граничного трения [4]. Вместе с тем, последние исследования граничных слоев [5 - 7] указывают на ограниченность такого подхода и на не- обходимость комплексного изучения микротечений в граничных слоях, термо- и кавитационных эффек- тов в их взаимосвязи с адгезионно-деформационными явлениями на рабочих поверхностях трибоконтакта. Цель настоящей работы – разработать и создать измерительно-испытательный трибологический комплекс и квалификационный метод определения трибологических свойств трибосистем с граничным трением с учетом исследования динамических процессов в граничных слоях (ДПГС). Приборы, материалы и методы исследования граничных слоев В качестве основной модельной смазочной среды использовался авиационный керосин ТС-1, как прозрачная, маловязкая среда, исключающая при трении скольжения на малых скоростях (0,2 … 0,8 м/с) и малых нагрузках (1 … 10 Н) возникновение режима гидродинамического бесконтактного трения. Так- же изучалось поведение смазочных слоев различных технических товарных и модельных масел: глице- рина ХЧ, вакуумного масла ВМ-6, моторного синтетического масла ИПМ-10, холодильного масла ХФ 12 - 16, авиационного гидравлического масла АМГ-10, моторного минерального масла МС-20, диал- килбензольного синтетического масла, дистиллированной воды и др. При разработке приборов предусматривалась возможность измерения силы трения и величины износа на модельном подшипнике скольжения, а также плавного регулирования условий трения в диапа- зоне: линейная скорость скольжения от 0,2 до 2,0 м/с, осевая нагрузка от 4,0 до 20,0 Н, максимальная объемная температура среды не более 60 °С. Приборы для визуального изучения ДПГС Для визуального изучения динамических процессов, в частности, интенсивности возникающих встречных течений, возникающих в граничных слоях трибоконтакта, было разработано несколько лабо- раторных приборов трения с оптически-прозрачным линейным контактом [8]. С целью непосредственно- го наблюдения за возникающими течениями смазки относительно линии контакта в диффузорной облас- ти (ДО) и в конфузорной области (КО) контакта, в приборе АСБ-01 (рис. 1) контакт плоского модельного и прозрачного подшипника скольжения с валом осуществлялся сверху. Это позволяет наблюдать за те- чениями смазочной среды через полированные грани прозрачного параллелепипеда. Материал модель- ного подшипника – оргстекло, кристалл парателлурита (TiO2), сапфира или кварца. В качестве модельно- го вала использовался фторопластовый или стальной (ШХ-15, HRC 59 … 63) ролик с полированной (Ra < 0,04мкм) рабочей поверхностью, образующей цилиндр. Диаметр модельного вала – 90мм, длина модель- ного вала или ширина рабочей поверхности, образующей цилиндр вала – 9 мм (фторопластовые) и 16 мм (стальные). Исследуемая среда подавалась в контакт движущейся поверхностью путем подхвата её ниж- ним сегментом, который погружался в ванночку с жидкостью. Прибор трения АСБ-02 отличается от АСБ-01 тем, что контакт плоского модельного подшипни- ка с рабочей поверхностью модельного вала создается не сверху, а снизу, и смазывание контакта произ- водится путем его полного погружения в прозрачную ванночку с предварительно наполненной рабочей жидкостью (рис. 2, а). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 97 а б Рис. 1 – Схема (а) и внешний прибора трения скольжения АСБ-01 (б) с оптическим каналом исследования динамики граничных слоев и верхним положением контакта В приборах АСБ-01 и АСБ-02 предусмотрено измерение локальных давлений в граничных слоях в процессе трения. Для этого в прозрачном модельном подшипнике (параллелепипеде) на рабочей поверхности трения делалось приемное устройство в виде отверстия или щели (диаметр отверстия – 0,2 мм, ширина щели – 0, 23…0,3 мм, а длина – 6 мм). Такое приемное устройство через каналы, изго- товленные внутри образца, штуцер и гибкий шланг соединялось с измерительными приборами (мано- метры, вакуумметры, электромеханические или тензометрические датчики давления). а б Рис. 2 – Внешний вид приборов трения АСБ-02(а), АСБ-02Т(б) Конструкция приборов АСБ-01 и АСБ-02 позволяет визуально наблюдать непосредственно воз- никновение встречных течений и эффекты кавитации в различных средах в процессе трения [9, 10]. В ка- честве примера на рис. 3 представлены линии тока в керосине (а) и эффекты кавитации (б, в). а б в Рис. 3 – Линии тока встречных течений (а) и эффекты кавитации на приборе АСБ-01 (керосин ТС-1) (б) и на приборе АСБ-02 (масло ИПМ-10), (в) Кроме того, разработанные приборы позволяют исследовать все стадии нуклеации, роста и обра- зования газо-воздушной полости, находящейся в состоянии динамического равновесия, процесс кавита- ции, а также частичное растворение микропузырьков в диффузорной области контакта (рис. 4). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 98 а б в г д Рис. 4 – Стадии образования газовой полости разрежения граничных слоев в диффузорной области трибоконтакта скольжения (ШХ-15 – ТiO2, масло ИПМ-10) при разных направлениях скольжения (вверху – против часовой стрелки, внизу – по часовой стрелке): а – нуклеация в начальный момент трения; б – рост и динамическое равновесие с увеличением скорости; в – кавитация; г, д – частичное растворение газовой полости после прекращения трения Приборы для изучения тепловых эффектов в трибоконтакте Для изучения тепловых процессов в граничных слоях первостепенное значение имеет распреде- ление температуры в контактной области. С этой целью был изготовлен прибор АСБ-02Т, в котором мо- дельный подшипник скольжения представляет собой плоскую поверхность в виде плоскопараллельного диска, изготовленного из германиевого стекла высшего качества, полированного, просветленного, имеющего защитное покрытие. Этот диск герметично устанавливался в днище камеры, которая заполня- лась вазелиновым маслом ХЧ, пропускающим 90 % теплового молекулярного излучения в соответст- вующем диапазоне инфракрасного (ИК) спектра (от 7,5 до 13,0 мкм). В этом диапазоне ИК-излучения германиевое стекло и вазелиновое масло практически прозрачны, что позволило с помощью тепловизора ThermaCAMTM65 (рис. 5) исследовать распределение температуры по полю зрения в контактной области модельного подшипника скольжения при трении в динамике с чувствительностью 0,5 оС. а б Рис. 5 – Внешний вид машины трения АСБ-02Т (а), тепловизора ThermaCAMTM R65(б) и их расположение в ходе исследований После тщательной юстировки и фокусировки контробразец путем медленного нагружения под- нимался до соприкосновения с поверхностью, образующей цилиндр фторопластового ролика, создавался линейный контакт, и видеокамера фиксировала повышение температуры в нем на 3,5 оС относительно температуры окружающей среды. При осевой силе сжатия 40 Н образовывался контакт шириной около 2,8 мм. Плавное снятие нагрузки и вывод из контакта германиевого контробразца не приводили к вырав- ниванию температуры, т.е. тепловой след от созданного разовым сжатием контакта оставался неизмен- ным (рис. 6). Этот факт, также как и распределение тепловых потоков при трении, требует дополнитель- ного изучения, что может быть достигнуто с использованием разработанного прибора АСБ-02Т. Прямые измерения тепловых процессов в трибоконтакте современной тепловизионной техники на приборе АСБ- 02Т позволили подтвердить возникновение в эластогидродинамическом контакте термоэффекта [4], ко- торый не находит однозначного объяснения без учета динамических процессов в граничных слоях смазки. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 99 Рис. 6 – Распределение температуры в контактной области при сжатии поверхности, образующей цилиндр ролика, с германиевым плоским стеклом в вазелиновом масле (а) и то же – после снятия нагрузки и создания зазора между поверхностями 1 мм через 1 мин Прямые измерения давления в граничных слоях при трении В рамках ЭГД-теории расчетные контактные напряжения, возникающие в поверхностях при сжатии, отождествляются с давлением, развиваемым в граничных слоях при трении. То есть, давление в смазочной пленке ЭГД-контакта всегда выше давления окружающей среды. Такое же мнение принято и в адгезионно-деформационном подходе, где динамические процессы в граничных слоях игнорируются. Вместе с тем, для установления взаимосвязи трибологического поведения контакта с динамикой гранич- ных слоев принципиально важным является прямое экспериментальное измерение локального фактиче- ского давления в граничных слоях смазки трибоконтакта при трении в динамике. В приборах трения АСБ-01, АСБ-02, АСБ-02(Т) обеспечено постоянство линейного контакта и равномерное распределения мгновенных контактных напряжений при перемещении рабочей поверхно- сти модельного вала благодаря использованию системы самоустановки контакта, как в приборе АСК-01 [11]. Это достигнуто тем, что ось качания модельного подшипника пересекает ось нагружения и ось вращения модельного вала в его центре масс. Кроме того, в этих приборах реализовано электромехани- ческое сканирование контактных областей приемными устройствами (отверстиями круглого или прямо- угольного сечения в виде щелей), расположенными на контактной поверхности модельного подшипника, путем перемещения электропривода модельного вала с контролируемой скоростью шаговым двигателем. Разработанные и созданные специальные АЦП, ЦАП и программа управления параметрами трения обес- печивают их стабильность благодаря обратным связям с соответствующими датчиками. Интерфейс про- граммы (рис. 7, а) позволяет регистрировать локальное давление (рис. 7, б) на срезе приемного отвер- стия, его координату, скорость сканирования и другие параметры. Рис. 7 – Графический интерфейс программного обеспечения (а), где плавная кривая отражает распределение давления (повышение и понижение) при сканировании перпендикулярно контакту, а также результаты экспорта с первичной обработкой измеренных параметров (б) после серии экспериментов при линейной скорости скольжения 0,251 м/с и разных осевых нагрузках Графический интерфейс в совокупности с программными модулями математической обработки экспериментальных данных позволяют создать наглядную, удобную и относительно простую автомати- зированную систему регистрации параметров и управления режимами трения скольжения. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 100 Использование модернизированного прибора АСБ-02 позволило впервые провести прямые экс- периментальные измерения локального давления в контактных областях и установить наличие разнопо- лярного градиента давления в граничных слоях смазки при трении скольжения по обе стороны контакта (положительный в КО и отрицательный в ДО). Многократные измерения распределения давления в контактной области на приборе АСБ-02 в среде масла ХФ 12-16 при сканировании в направлении (рис. 8, а) и против (рис. 8, б) направления ско- льжения вала показали, что относительная погрешность не превышает 5 %. При максимальных расчет- ных контактных напряжениях 0,615 МПа по Г. Герцу (диаметр вала – 0,08 м, ширина вала – 0,009 м, модуль упругости фторопласта 4 - 450 МПа, модуль упругости оргстекла неориентированного – 2900 МПа) модельный вал вращался с частотой 15 об/мин., т.е. с линейной скоростью скольжения в кон- такте 0,06 м/с, а скорость сканирования, т.е. перемещения контробразца (оргстекло), составляла 0,011 мм/с. При таких условиях были получены распределения давления в контактной области с посто- янными скоростью и направлением скольжения вала и различным направлением сканирования (рис. 8). Рис. 8 – Распределение давления в контактной области при скольжении вала с линейной скоростью 0,251 м/с и сканировании со скоростью Vск = 0,00036 м/с: а – в направлении вращения вала; б – против направления вращения вала Обращает на себя внимание закономерное понижение давления в конфузорной области и повы- шение степени разрежения – в диффузорной при изменении направления сканирования со встречного на обратное. Симметричное относительно вертикальной оси распределение давления в граничных слоях и его характерное изменение в КО и ДО областях контакта при разных направлениях сканирования с оди- наковой скоростью объясняется определенными изменениями протекающих динамических процессов в граничных слоях в случае чистого скольжения и качения с проскальзыванием. Для косвенного измерения коэффициента трения была произведена доработка прибора АСБ-02 (рис. 9). Модернизация прибора АСБ-02 заключалась в установке дополнительных электронных датчи- ков давления ДД и разрежения ДР для измерения соответствующих параметров в зоне контакта модель- ного вала с поверхностью плоского неподвижного прозрачного модельного подшипника, оптического датчика частоты оборотов вала ДЧВ и датчика определения потребления тока ДТ основного двигателя АД, доработке механизма позиционирования на базе шагового двигателя ШД. Разработанные схемы мо- дуля измерения напряжения ДН и потребления тока ДТ позволяют получать исходные данные для расче- та мощности потерь АД в процессе трения скольжения при фиксированной частоте вращения и различ- ных нагрузках. Блок управления БУ выполняет следующие функции: - обработку сигналов датчиков ДР, ДД, ДЧВ, ДТ, ДН; - формирование и передачу массива данных в ПК; - прием данных из ПК для формирования сигналов управления АД и ШД. Программное обеспечение выполняет функции формирования алгоритма управления исполните- льными устройствами, отображение в цифровом или в графическом виде рабочих параметров и режимов лабораторной установки АСБ-02. Управление скоростью позиционно-сканирующего механизма при исследовании процесса тре- ния скольжения автоматизировано. Предусмотрена ручная юстировка зоны контакта. Частота вращения основного двигателя стабилизирована и автоматически поддерживается на заданном уровне независимо от влияния нагрузки и скорости сканирования. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 101 Рис. 9 – Структура автоматизированной измерительно-испытательной системы: АСБ-02 – лабораторная установка для измерения компрессионно-вакуумных процессов; БУ – блок управления; ПК – персональный компьютер; АД – асинхронный двигатель; ШД – шаговый двигатель; ДР – датчик разрежения; ДД – датчик давления; ДЧВ – датчик частоты вращения; ДТ – датчик тока; ДН – схема измерения напряжения Формирование данных табл. 1 осуществляется в ручном или в автоматическом режиме с предва- рительной установкой периода записи. Предусмотрена возможность экспорта данных в программу EXCEL с целью дальнейшей статистической обработки. Таблица 1 Массив данных, получаемых в ходе испытаний на приборе АСК-02 № пп Частота об/мин, Избыточное давление, кПа Ра зр еж ен ие , кП а Ток, А Н ап ря ж ен ие , В М ощ но ст ь, В т О се ва я на гр уз ка К оо рд ин ат а, м м Те м пе ра ту ра , ° С Время Дата 0 100 255 255 2,55 60 153 0 -1 0 20:02:41 19.03.2011 1 115,5 255 255 2,55 60 153 0 -0,91 0 20:02:59 19.03.2011 2 132,03 255 255 2,55 60 153 0 -0,65 0 20:03:13 19.03.2011 … … … … … … … … … … … … 12 187,83 255 255 2,55 60 153 0 -0,23 0 20:04:32 19.03.2011 13 211,6 255 255 2,55 60 153 0 0,01 0 20:04:49 19.03.2011 Графический интерфейс (рис. 9) программы дает возможность визуально наблюдать в реальном времени необходимые графические зависимости с сохранением изображений в памяти ПК. Для исследования динамических процессов, возникающих при трении граничных слоев при от- носительном движении поверхностей с адсорбированными фрагментами граничных слоев смазочной среды, был разработан и изготовлен лабораторный прибор АСБ-03 (рис. 10). Этот прибор включает в се- бя механический модуль (электропривод прецизионного вала через шкивы и ременную передачу, кото- рый вращается относительно неподвижного блока с приемным устройством) и электрический модуль управления частотой вращения с обратной связью и регистрацией потребляемой мощности электродви- гателя. В отличие от предыдущих приборов, здесь в качестве приемного устройства использована длин- ная щель (20 мм) и реализована возможность ее изменения от 0 до 5 мм, а также точного регулирования зазора между валом и поверхностью с приемным устройством и точного позиционирования щели отно- сительно оси вращения вала. На блоке с приемным устройством размещена система тонкой регулировки микрометрическими винтами (рис. 10, б). Прибор АСБ-03 позволяет изучать распределение давления, возникающего в граничных слоях при их движении с поверхностью вращающегося модельного вала с плоской поверхностью, расположен- ной на определенном расстоянии с установленным минимальным зазором от 0 до 5 мм, шагом 25 нм. В качестве измерительного прибора используется мановакуумметр МВТП-160А. Для измерения расхода жидкости при различном избыточном давлении используются дроссельный кран тонкой регулировки и расходомер в виде мерного тарированного цилиндра. Получаемые результаты позволили произвести принципиальную оценку возможности использования динамических процессов в диффузорной и конфу- зорной областях контакта для разработки и создания принципиально новой трибомолекулярной техники нагнетания и разрежения среды. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 102 а б Рис. 10 – Внешний вид лабораторного прибора трения граничных слоев АСБ-03(а) и его неподвижного блока 1 с регулировочными винтами позиционирования приемного устройства относительно поверхности вала 2 (б) Измерительно-испытательный комплекс для исследования трения в условиях граничной смазки С целью исследования влияния постоянства мгновенных контактных напряжений на противоиз- носные свойства трибосистемы скольжения с линейным контактом наногеометрических поверхностей трения была разработана и создана машина трения со стабилизированными мгновенными контактными напряжениями и определенными радиальными отклонениями модельного вала. На рис. 11 представлена схема и внешний вид созданной машины трения АСК-01 [9], где при измерении силы трения ось нагру- жения, ось вращения модельного вала и ось, вокруг которой колеблется плоский неподвижный образец, пересекаются в центре масс контробразца. Таким образом, мгновенные контактные напряжения соответ- ствуют расчетным, что подтверждается образованием равномерно по всей поверхности контробразца вторичных структур. Рис. 11 – Внешний вид машины трения АСК-01 (а) и модельной трибосистемы скольжения с линейным контактом (б) Большинство углеводородных неполярных смазочных материалов при смачивании поверхностей деталей машин образуют на них эпитропные жидкокристаллические структуры в нано- и микрометровом диапазоне. Так как их структура и свойства в значительной степени определяются шероховатостью ра- бочей поверхности, то необходимо иметь максимально полную информацию о трехмерном состоянии исходной поверхности. Наногеометрическая поверхность модельных образцов нуждается в соответст- вующем контроле, который необходимо осуществлять бесконтактным методом с высокой чувствитель- ностью по профилю и достаточно большим полем зрения. Контактные профилографы-профилометры типа «Калибр М201» или М-283 не удовлетворяют этим требованиям из-за повреждения поверхности и малой информативности. Поэтому совместно со специалистами лаборатории акустооптики радиофизиче- ского факультета КНУ им. Тараса Шевченко был разработан и создан [12] лазерный сканирующий бес- контактный дифференциально-фазовый микроскоп–профилограф-профилометр (ЛСДФМП) (рис. 12). Экспериментально установлено, что именно 3D состояние рабочих поверхностей характеризует их три- бологические свойства, а не стандартизованные параметры шероховатости (Rа, Rz, Rmax, Sm, tp и др.), рас- считываемые лишь по одной профилограмме. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 103 Рис. 12 – Внешний вид лазерного сканирующего дифференциально-фазового микроскопа-профилометра (а) и 3D инвертированное изображение дорожки трения (б) Экспериментально установлено, что при одном и том же параметре шероховатости, в частности Rа, создаваемой различными технологическими приемами, поверхности имеют принципиально различ- ные трибологические свойства, зависящие от их 3D состояния. В результате сканирования поверхности ДФЛСПП можно получить ее двумерное дифференци- ально-фазовое изображение (рис. 13, а), состоящее из 512 × 512 профилограмм. Путем интегрирования поверхность восстанавливается (рис. 13, б) с возможностью анализа любой из 1024 профилограмм (рис. 13, в). Новый способ двумерного представления трехмерного состояния поверхностей в виде ам- плитудно-частотно-пространственного распределения дисперсии показан на рис. 13, г, что чрезвычайно важно для трибосистем. а б х, мкм f (x), мкм мкм в г Рис. 13 – Рельеф реальной поверхности с параметром шероховатости Ra = 0,15 мкм в двух- (а) и трехмерном (б) изображениях, один из ее профилей (в) и двумерное распределение дисперсии по направлению для отдельных спектральных составляющих пространственного спектра поверхности (г), (по радиусу – пространственные частоты в см –1) Таким образом, именно 3D микро- и нано- состояние поверхностей с учетом направления гра- ничного трения дает информацию об эксплуатационных трибосвойствах рабочих поверхностей. Кроме шероховатости, ДФЛСПП позволяет определять объем изношенного материала в нанометрах кубиче- ских, что значительно повышает точность определения величины изнашивания. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 104 Разработана новая многоступенчатая методика трибологических испытаний смазочных материа- лов, учитывающая влияние вторичных структур на износостойкость в ходе длительных испытаний [9]. Суть методики заключается в поэтапных измерениях величины износа во времени при прочих равных начальных условиях. По разработанным методикам были испытаны определенные товарные моторные и получены их противоизносные характеристики, которые полностью соответствовали результатам шести- часовых моторно-стендовых испытаний по пропорциям эффективности, что подтверждено соответст- вующим актом МНПП «Присадки». В совокупности лабораторный прибор трения АСК-01, лазерный сканирующий дифференциаль- но-фазовый микроскоп-профилометр ЛДФСМП и методики трибологических испытаний в условиях гра- ничной смазки представляют собой комплекс приборов и методов, который внесен в перечень квалифи- кационных методов УкрЦАХ СЕПРО Украины [13]. Приборы и методы для изучения влияния граничных слоев на контактные напряжения Прибор АСБ-01 позволяет исследовать влияние природы смазочной среды на реологические и физико-химические свойства граничных слоев, которые оказывают существенное влияние на фактиче- ские контактные напряжения поверхностей трения. Так, путем медленного прижатия плоского модель- ного подшипника 1 из оргстекла полированной поверхностью к рабочей поверхности вала 2 (рис. 14, а) при осевой нагрузке 4 Н на воздухе возникает тонкая прямоугольная площадка контакта. Ее длина соот- ветствует длине модельного подшипника, т.е. высоте ролика - 9 мм, а ширина - 0,9 мм, что согласуется с расчетными значениями, полученными по формуле Г.Герца, учитывающей модули упругости материа- лов. В верхнем положении контакта (рис. 14, а) при его смачивании керосином капиллярный и иммерси- онный эффекты проявляются визуально: ширина смоченного контакта при прочих равных условиях воз- растает до 5,5 мм. Учитывая, что хорошо смачиваемым является модельный подшипник (оргстекло), а поверхность вала (фторопласт) - олеофобна по отношению к неполярным углеводородным жидкостям, можно предположить, что высота эпитропных жидко-кристаллических слоев равна расстоянию между поверхностями в крайних положениях ширины контакта, которую можно оценить путем вычисления расстояния между поверхностями на краях мениска. Так, в керосине ТС-1 ширина смачиваемого контак- та равнялась при диаметре ролика 80 мм –7,4 мм, в масле ИПМ-10 – 7,9 мм, и в масле МС-20 – 11,4 мм. Вязкость этих масел при 20 °С соответственно составляла 1,34 сСт; 24,7 сСт и 1600 сСт. Толщина эпи- тропного иммерсионного упорядоченного граничного слоя определялась из расчета постоянства нагруз- ки 1,5 Н без учета различий по коэффициенту поглощения в малых толщинах, которые соответственно составляли: для ТС-1 – 0,17 мм, для ИПМ-10 – 0,19 мм и для МС-20 – 0,4 мм. При этом учесть мини- мальную толщину смазочного слоя оказалось достаточно сложно, хотя она, безусловно, влияет на полу- ченные результаты измерений ширины смоченного контакта. Таким образом, можно предположить, что границы смазочного слоя неполярной углеводородной среды, где прекращается иммерсионный эффект вокруг смоченного контакта, образованного криволинейными поверхностями олеофобной (фторопласт) и олеофильной поверхностью, являются показателем, отражающим толщину эпитропного жидкокри- сталлического приповерхностного слоя, структурированных молекул в поле твердой подложки. Рис. 14 – Вид контакта 3 машины трения АСБ-01, возникающего при соприкосновении плоского модельного подшипника 1 с модельным валом 2, смоченного авиакеросином ТС-1 (а) и образование линейного контакта на воздухе (б), а также при смачивании его авиакеросином при осевой нагрузке 4 Н Исследования распределения напряжений поверхности модельного, а также плоского вала, про- водились оптико-поляризационным методом. В качестве подшипника использовался кубик изотропного полимерного материала с полированными гранями. Параллельный пучок белого света или лазера на- правлялся фронтально к контакту, после чего он, пройдя через поляризатор, проецировался на экран. Та- кой подход использовался как в статических условиях нагружения, так и в динамике – при трении в раз- личных средах (воздух или смазочная среда). Поляризационно-оптическим методом исследований (рис. 15) экспериментально наблюдается перераспределение контактных напряжений в поверхностях, смоченных граничными слоями смазки (рис. 15, б, в). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 105 а б в Рис. 15 – Контактные напряжения в изотропном кристалле (поляризованный свет) при сжатии нагрузкой N: а – на воздухе в статике; б – смоченный маслом (ЭЖК-слоями) в статике; в – трение по часовой стрелке Уменьшение максимальных расчетных контактных напряжений, вызванное увеличением факти- ческой площади контакта, обусловленного возникновением упругодеформированных эпитропных жид- кокристаллических слоев смазки, схематически представлено на рис. 16. При сжатии полированных плоских поверхно- стей стали ШХ15 и кварцевого стекла, на которые предварительно наносился слой оптически непрозрач- ного вещества (закрашенное черным красителем мас- ло ТАД-17), наблюдается его экструзия, а после сня- тия нагрузки – возникновение газовых полостей в гра- ничном слое. Исходная полированная стальная по- верхность после сканирования на ЛДФСПП представ- лена на рис. 17, а. При сжатии поверхностей до 1,0 МПа в контакт вступают вершины волнистых поверх- ностей стального и кварцевого образцов (рис.17, б), где площадь контактов вершин (светлые участки) со- ставляла около 40 % контурной площади в поле зре- ния. При увеличении нагрузки до 5,0 МПа, очевидно, начинают сливаться упругодеформированные верши- ны, а между ними образуются общие плоскости с ос- татками непрозрачной смазки (рис. 17, в). Дальнейшее увеличение нагрузки до 10,0 МПа привело к некоторому расширению площади контак- тирующих вершин и уменьшению площади плоско- стей, заполненных маслом (рис. 17, г). При этом общая площадь контактирующих вершин (светлые участки) увеличилась до 60 % и четко видно образование об- щих для обеих поверхностей полостей, заполненных закрашенным маслом. При увеличении нагрузки наблюдалось перетекание граничных слоев из образованных полостей наружу. После этого снятие нагрузки приводило к очень медленному увеличению объемов со смазочным материалом, о чем свидетельствуют 2D изображения контакта через 10 минут и 24 часа - после разгру- жения контакта. При этом после снятия нагрузки в контакте, образованном под давлением 10 МПа, и не- скольких дней наблюдений, разъединить поверхности в нормальном направлении к плоскости контакта не удавалось. Разъединить его с наименьшими усилиями удалось лишь путем сдвига. Таким образом, при сжатии двух поверхностей с граничными слоями образуются общие для поверхностей замкнутые полос- ти с субмикрообъемами смазочного материала. Лазерная 3D профилография подтверждает возможность возникновения разрежения в микрообъемах граничных слоев в образуемых, общих для обеих поверхно- стей полостей, заполненных фрагментами смазочной среды. Полученные результаты исследования упругой деформации ЭЖК-слоев в статических условиях (без трения) сжатия и релаксации после снятия нагрузки позволяют объяснить ряд известных явлений или дополнить их новыми сведениями и гипотезами. В машиностроении известен прием микрометрирования в размер с помощью набора калибро- ванных плиток Ягонтсона, основанный на сжатии концевых мер их стальными полированными поверх- ностями. После снятия усилия сжатия плитки удерживаются. Из практики также известно, что плитки Ягонтсона лучше удерживаются при их сжатии с незначительным одновременным тангенциальным сдвигом. Это объясняют с позиций адгезионно-деформационнной теории трения И.В. Крагельского дей- ствием молекулярной составляющей силы трения. Рис. 16 – Схема образования линейного контакта АaВa шириной ba поверхности вала 1 и поверхности плоского подшипника 2 под действием осевой силы Ng и возникновение в них контактных напряжений σа на воздухе и его расширение до АdВd с шириной bd и соответствующим их уменьшением до σd с учетом наличия на них ЭЖК-слоев толщиной d PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 106 а б в г д е Рис. 17 – Образование общих плоскостей с граничными слоями непрозрачной смазочной среды между стальной и кварцевой полированными поверхностями (а) при их сжатии до напяжений 1,0 МПа (б), 5,0 МПа (в), 10,0 МПа (г) и после снятия нагрузки через 10 минут (д) и 24 часа (е) Однако при таком подходе не учитываются и другие виды взаимодействия, например электро- магнитное, которое возникает в ферромагнитных плитках при относительном перемещении доменов по- верхностей. Также не рассматривается возможное влияние динамических процессов в граничных слоях при их деформировании и релаксации после сжатия. Так, удержание плиток Ягонтсона может быть след- ствием образования микро- и нанометровых общих полостей при сжатии двух полированных поверхно- стей, из которых в окружающую среду выдавливаются излишки граничных, адсорбированных на по- верхностях молекул атмосферы. Затем, в процессе снятия нагрузки, происходит упругая релаксация кон- тактирующих вершин, что и приводит к растяжению ранее образованных при сжатии полостей, т.е. к разрежению адсорбированных слоев среды в ранее образованных, общих для обеих поверхностей полос- тях. Таким образом, плитки удерживаются не только молекулярными силами и магнитными полями фер- ромагнитных материалов, но и внешним давлением, действующим на разреженные, общие для поверх- ностей полости. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение II. Новые приборы и методы … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 107 Выводы 1. Разработаны приборы с оптическими каналами съема информации (АСБ-01, АСБ-02, АСБ-02Т), позволяющие наблюдать: - фазовые превращения в граничных слоях смазки (нуклеацию, рост паровоздушных полостей, их эволюцию и схлопывание пузырьков в диффузорной области контакта); - расслоение граничных слоев в конфузорной области трибоконтакта; - возникновение вторичных возвратных течений и вихревых потоков в граничных слоях; - распределение тепловых потоков в динамике при трении. 2. Разработаны приборы непосредственного измерения локального давления в граничных слоях путем сканирования приемными устройствами (контактные АСБ-01, АСБ-02 и бесконтактный АСБ-03), позволившие выявить общую закономерность возникновения разнополярных градиентов давления в гра- ничных слоях: положительный – в конфузорной области контакта и отрицательный – в диффузорной. 3. В совокупности лабораторный прибор трения АСК-01, лазерный сканирующий дифференци- ально-фазовый микроскоп-профилометр ЛДФСМП и методики трибологических испытаний в условиях граничной смазки представляют собой комплекс приборов и методов, который внесен в перечень квали- фикационных методов оценки УкрЦАХ СЕПРО Украины [13]. Автор выражает благодарность коллективу лаборатории Нанотриботехнологий НДЧ НАУ, за непосредственное участие в разработке приборов, макетов и в экспериментальных исследованиях. Литература 1. Костецкий Б. И. Износостойкость деталей машин / Б. И. Костецкий. – М. ; К : Машгиз, 1950. – 168 с. 2. Крагельский И. В. Основы расчетов на тертя и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. – М. : Машиностроение, 1977. – 526 с. 3. Ахматов А. С. Молекулярная физика граничного трения / А. С. Ахматов. – М. : Физматгиз, 1963. – 472 с. 4. Чихос Х. Системный анализ в трибонике /Х.Чихос. – М.: Мир, 1982. – 351 с. 5. Дмитриченко Н.Ф. Эластогидродинамика. – Львов: Изд-во Национального университета «Львовская политехника», 2000. – 224 с. 6. Dowson D. and Taylor, C.M., 1974, “Fundamental Aspects of Cavitation in Bearings,” Cavitation and Related Phenomena in Lubrication, ImechE, England, pp. 15-26. 7. Luis San Andres, Cavitation in Liquid Bearings. ©- Notes 6. - 2009. 8. Патент на корисну модель №57465 Україна, (51) МПК G01N 3/56. Пристрій визначення три- бореологічних характеристик тертя ковзання в умовах граничного змащення /Стельмах О.У., Бондар В.С., Бадір К.К., Ібраімов Т.Т. – № U 2010 10464; заявл. 30.08/2010: опубл. 25.02.2011. Бюл. №4. – 18 с. 9. Кияшко С.Н., Стельмах А.У., Костюник Р.Е., Терновая Т.В., Сидоренко А.Ю. Способ опреде- ления противоизносных и (или) антифрикционных свойств трибосистемы с одним линейным контактом постоянной протяженности и устройство для его осуществления // Патент РФ на изобретение №2279660, приоритет от 30.09.04.Опубликовано: 10.07.2006. Бюл. №19. – 10 с. 10. Патент на корисну модель №65839 Україна, (51) МПК (2011.01) F04B 19/00, F04C 25/00. Спосіб нагнітання і/або створення розрідження або вакууму речовини, що перебуває в рідко- му/газоподібному/високодисперсному, твердому або багатофазовому стані /Стельмах О.У., Аксьонов О.Ф., Хуфенбах В.А., Кунце К.Б.Ф., Запорожець О.І., Бадір К.К., Бондар В.С., Стельмах Д.О., Ібраімов Т.Т., Хуссейн Д.Д., Аль-Тамімі Р.К. – № U 2011 09336; заявл. 26.07.2011; опубл. 12.12.2011. – Бюл. №23, 2011. – 22 с. 11. Патент на корисну модель №65840 Україна, (51) МПК (2011.01) F04С 2/00. Пристрій для на- гнітання і/або створення розрідження або вакууму речовини, що перебуває в рідкому/ газоподібно- му/високодисперсному твердому або багатофазовому стані /Стельмах О.У., Аксьонов О.Ф., Хуфенбах В.А., Кунце К.Б.Ф. та ін. – № U 2011 09337; заявл. 26.07.2011; опубл. 12.12.2011. Бюл. №23, 2011. – 32 с. 12. Патент на изобретение №2179328 РФ, G02B21/00, G01B11/30. Способ дифференциально- фазовой профилометрии и/или профилографии и устройство для его реализации /Кияшко С.Н., Смирнов Е.Н., Ильченко Л.Н., Коленов С.А., Стельмах А.У. – №2001116525/28; заявл. 19.06.01; опубл. 10.02.2002. 13. Бойченко С.В. Комплекс методів кваліфікаційної оцінки палив для авіаційних газотурбінних двигунів /С.В.Бойченко. – К.: Український науково-дослідний та навчальний центр хімотології й серти- фікації ПММ і ТР, 2011. – 8 с. Надійшла 05.04.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com