11_Stelmah.doc Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 63 Стельмах А.У. Национальный авиационный университет, г. Киев, Украина АДГЕЗИОННО-ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГРАНИЧНЫХ СЛОЯХ. СООБЩЕНИЕ III. ВЗАИМОСВЯЗЬ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГРАНИЧНЫХ СЛОЯХ (ДПГС) РАДИАЛЬНОГО ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ С ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ И МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВТОРИЧНЫХ ТЕЧЕНИЙ 1. Введение Для управления работоспособностью трибосистем с граничным трением первостепенное значе- ние имеет понимание ее взаимосвязи с физико-химическими, физико-механическими и теплофизически- ми закономерностями, проявляющимися на рабочих поверхностях трибоконтакта и в смазочной среде. Знание доминирующих процессов, вызывающих разрушение трибосистем во время эксплуатации, могут быть получены лишь на основе достоверных экспериментальных данных о тепловых, силовых и фазовых параметрах поверхностей и среды во время трения, то есть в динамике. Получение качественных зако- номерностей поведения множества взаимосвязанных различных динамических параметров, характери- зующих один процесс – трение, необходимо для построения физической модели процесса граничного трения и на ее основе разработки эффективных методов управления работоспособностью трибосистемы. До настоящего времени построение такой модели сдерживалось противоречивостью существующих подходов к проблеме граничного трения: 1 – традиционного адгезионно-деформационного [1, 2, 3], в ко- тором давление в граничном слое, отождествляемое с герцевскими контактными напряжениями, счита- ется всегда выше давления окружающей среды, а динамические процессы в граничном слое полностью игнорируются; 2 – более раннего, эластогидродинамического (ЭГД) подхода, где на основе динамиче- ских процессов в тонком смазочном слое рассматривается лишь эпюра избыточного давления относи- тельно давления окружающей среды, но игнорируются адсорбционно-деформационные взаимодействия поверхностей [4, 5, 6]. Для разрешения этого противоречия необходим компромиссный подход, учиты- вающий динамические процессы в граничном слое наряду с адгезионно-деформационными взаимодейст- виями рабочих поверхностей. Для модельных трибосистем с линейным контактом в условиях граничного трения скольжения было установлено повышение износостойкости с ростом мгновенных контактных напряжений, асиммет- рия профилей износа дорожек скольжения, возникновение первичных узлов адгезионного взаимодейст- вия в диффузорной области (ДО) и оседание продуктов изнашивания в конфузорной области (КО) [7]. Полученные закономерности не находят однозначного объяснения в рамках традиционных представле- ний, основанных на адгезионно-деформационной теории граничной смазки [1 - 3]. Для объяснения этих результатов была выдвинута гипотеза [8] о возникновении в граничном слое трибоконтакта двух разно- полярных процессов, инициированных микротечениями в смазочной среде, которые приводят к появле- нию областей разряжения в ДО и сжатия – в КО. Для подтверждения этой гипотезы необходимы иссле- дования динамических процессов в их взаимосвязи с физическими и тепловыми процессами в диффу- зорной и конфузорной областях трибоконтакта. В связи с изложенным, цель настоящей работы – на базе разработанного специального аппарат- но-методического комплекса [9] провести систематические исследования взаимосвязи ДПГС радиально- го подшипника скольжения с параметрами трения (скорость, нагрузка, вязкость среды и ее фазовый со- став, давление, геометрия контакта) с фактическим напряженным состоянием поверхностей, термоэф- фектом, трибокавиатцией, силой трения и предложить механизм возникновения вторичных течений. 2. Методы и материалы Для исследования динамических и теплофизических процессов в граничных слоях напряженного состояния поверхностей трения использовался комплекс методов и аппаратуры, описанных в работе [9]. Это приборы: - изучения ДПГС и распределения давления в граничных слоях (АСБ-01, АСБ-02); - изучения теплового распределения в смазочных слоях в динамике (АСБ-02Т, тепловизор ThermaCAMTM65); - распределения давления в граничных слоях с определенным зазором (АСБ-03). Оптико-поляризационным методом исследовали распределение напряжений в модельном под- шипнике скольжения как в статических условиях нагружения, так и при трении. Влияние скорости 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 64 скольжения, направления сканирования, величины осевой нагрузки и вязкости смазки на распределение давлений в ее граничных слоях линейного трибоконтакта изучали с использованием модернизированных современными цифровыми и программными продуктами приборах АСБ-01 и АСБ-02. Динамические и тепловые процессы в граничных слоях изучены в широком диапазоне осевых нагрузок (от 1 до 150 Н) и линейных скоростей скольжения от 0,01 до 2,0 м/с в среде различных классов смазочных материалов: авиационный керосин ТС-1, авиационные моторные масла: минеральное МС-20 и синтетическое ИПМ-10, авиационное гидравлическое мало АМГ-10, холодильное масло ХФ-12-16, глицерин ХЧ, вакуумное масло ВМ-6, диалкилбензольное синтетическое масло, дистиллированная вода и др. 3. Результаты и обсуждение экспериментальных исследований 3.1. Распределение давления в граничных слоях Путем сканирования распределения давления в граничных слоях приемным устройством, распо- ложенным на рабочей неподвижной поверхности модельной трибосистемы, получены эксперименталь- ные эпюры давления в нормальных условиях (рис. 1), свидетельствующие о возникновении по обе сто- роны контакта симметричных относительно середины контакта, но разно-полярных процессов: сжатия – в области входа вала в контакт, и разрежения – в области выхода из контакта. а б Рис. 1 – Распределение перепада давления ∆P в граничных слоях керосина ТС-1 относительно атмосферного по координате сканирования X перпендикулярно контакту скольжения: а – вращение по часовой стрелке; б – вращение против часовой стрелки; [АВ] – ширина линейного контакта контртела 1 и ролика 2 с радиусом Rp (45 мм); ω – частота вращения 100 мин-1, N – осевая нагрузка (4 Н) Избыточное давление смещается в сторону области разрежения относительно оси симметрии контакта. Это свидетельствует о том, что фактический контакт при скольжении является подвижной ди- намически изменяемой системой поверхность-среда-поверхность. Такое смещение вызвано перераспре- делением контактных напряжений в поверхностях в соответствии с контактными трибогидродинамиче- скими процессами сжатия и разрежения граничных слоев. Минимальную толщину смазочного слоя в трибоконтакте без учета его разрежения не следует рассматривать, как однозначный критерий нагружен- ности подшипников скольжения. Контактные течения граничных слоев смазки, а также возникающие околоконтактные зоны сжатия и разрежения граничных слоев среды полностью определяются условиями трения (осевая нагрузка и скорость). Прямыми экспериментальными измерениями интегрального давле- ния в контактной и околоконтактной зонах установлено градиентное изменение давления на обеих гра- ницах переходной области: с максимумом со стороны конфузорной и с минимумом – в диффузорной. Эта же закономерность сохраняется для разных скоростей скольжения от малых до умеренных (0,001 … 0,8 м/с) в разных средах (рис. 2, 3). Экспериментально установлено (рис. 2), что сила трения скольжения, определяемая мощностью, потребляемой электроприводом, возрастает пропорционально увеличению избыточного давления среды в конфузорной области контакта, которое, в свою очередь, возрастает с увеличением вязкости среды, осевой нагрузки и линейной скорости скольжения. Следовательно, сила трения скольжения является от- ражением деформационных и адгезионных процессов, протекающих в граничных слоях смазки в конфу- зорно-диффузорных областях контакта. При этом в диффузорной области контакта В (рис. 2), то есть в области понижения давления, характер распределения давления существенно отклоняется от симметрич- ного (пунктир), как это имело место в авиакеросине (рис. 1). Объясняется это особенностями поведения 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 65 жидкости в условиях пониженного относительно окружающей среды давления, когда она «вскипает» и переходит в двухфазное состояние, а также техническими трудностями при измерении разрежения в ре- альных жидкостях. Рис. 2 – Распределение перепада давления ∆P в граничных слоях диалкилбензольного масла относительно атмосферного по координате сканирования X перпендикулярно контакту при разных скоростях скольжения (0,2; 0,4; 0,6; 0,8 м/с). [АВ] – ширина линейного контакта на воздухе контртела 1 и ролика 2 с радиусом Rp (45 мм); ω – частота вращения; N – осевая сила сжатия (4 Н). Пунктирная линия – предполагаемое реальное распределение давления в граничных слоях Распределение давления в граничных слоях (масло ИПМ-10) при различных нагрузочно- скоростных параметрах (рис. 3) показывает повышение интенсивности динамических процессов как в конфузорной, так и в диффузорной областях трибоконтакта скольжения с увеличением линейной скоро- сти υ и осевой нагрузки N. При осевой нагрузке 2 Н, линейной скорости 0,02 м/с и площади контакта 4 мм2 степень разрежения достигала 50 кПа. а б Рис. 3 – Распределение давления в контактной и околоконтактной областях: а – V = 0,044 м/с; N = 1Н; 2Н; 3Н; 4Н; 5Н; 6 Н; б – N = 2 Н и V = 0,04; 0,08 и 0,12 м/с Таким образом, анализ зависимостей (рис. 1 - 3) показывает, что величина осевой нагрузки и скорости скольжения трибоконтакта полностью определяют интенсивность ДПГС, то есть вторичных те- чений, которые в свою очередь приводят к возникновению разнополярных градиентов давления по обе стороны контакта. Необходимо отметить разницу в явлении разнополярного градиента давления, возникающего в контактной области в граничном слое смазки и в твердом теле при его нагружении перемещающимся индентором. Общепризнанно [10], что «даже при однократном взаимодействии истираемая поверхность 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 66 последовательно подвергается действию сжимающих и растягивающих напряжений, так как каждый вы- ступ поверхности гонит перед собой волну напряжений, сжимая материал впереди и растягивая позади». Эффект разнополярного градиента давления на обоих фронтах перемещения нагруженного индентора по поверхности твердого тела, обнаруженный при качении и скольжении в работах [2, 11], обусловлен не гидродинамическими процессами, а движением дислокаций в твердом теле (общепринято, что при тре- нии положительный градиент напряжений в поверхностях возникает при сжатии, а отрицательный - при растяжении). Поэтому природа обоих внешне схожих эффектов градиента давлений в жидкой среде и в твердом теле различна и, следовательно, они не могут быть сопоставимы. 3.2. Схема образования разнополярных градиентов давления в граничных слоях На рис. 4 показана схема возникновения вторичных течений граничных слоев смазки в конфу- зорных и диффузорных областях при трении скольжения вала 1 по модельному плоскому подшипнику 2 в упругодеформированных участках АОВ и в бесконтактных зонах FAС и BED. При скорости набегаю- щих с валом граничных слоев υл в конфузорной области FА возникает обратное движению вала гидро- динамическое течение υгд и на участке АО – контактно-гидродинамическое течение υконт. Трение этих течений с фрагментами граничных слоев, набегающих с валом, приводит к увеличению давления в кон- фузорной области контакта. На диффузорном контактном участке ОВ происходит понижение давления упругодеформированных и, следовательно, с минимальным количеством фрагментов ЭЖК-слоев, про- шедших область максимальных напряжений ОО1. Поэтому под действием давления окружающей среды в зазор на участке ОВ будут стремиться фрагменты смазки из кромки диффузорного зазора ВВ1 со скоро- стью υконт. Также под действием давления окружающей среды в области DBE возникает гидродинамиче- ское течение со скоростью υгд из объема смазки в контакт. Рис. 4 – Схема возникновения вторичных течений, инициирующих возникновение разно-полярных градиентов давления в граничных слоях (а) и соответствующие им распределения контактных напряжений σ в поверхностях трения и давления Pm в граничных слоях смазки (б): σs – без трения (ω = 0); σк – суммарное контактно-гидродинамическое давление при трении (ω > 0); σN – суммарное поле контактных реактивных напряжений при трении (ω > 0) Учитывая разнополярность давления Рm, возникающего при трении в граничных слоях, контакт- ные напряжения σк определяются как разница герцевских контактных напряжений в статике σs и давле- ния Рm. Суммарные реактивные напряжения σN, действующие на поверхность вала при трении, включа- ют в себя сумму давления граничных слоев Рm и напряжения σs. Таким образом, контактные напряже- ния увеличиваются в области выхода вала из контакта и уменьшаются – в области входа. При этом со- противление движению вала создается не только деформационно-адгезионным взаимодействием по- верхностей, но и ДПГС, вызванными градиентами давления. Перепад давления в граничных слоях при трении (рис. 1) указывает на то, что статические напряжения в поверхности модельного вала при его движении смещаются в направлении, противоположном движению, а контактные напряжения – в на- правлении выхода вала из контакта, где возникает разрежение смазочной среды. Это подтверждается по- ляризационно-оптическими исследованиями трения в динамике (рис. 5). 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 67 а б в Рис. 5 – Контактные напряжения в изотропном кристалле (поляризованный свет) при сжатии нагрузкой N: а – на воздухе в статике; б – смоченный маслом (ЭЖК-слоями) в статике; в – то же при трении по часовой стрелке Экспериментальное перераспределение контактных напряжений сухих и смоченных ЭЖК- слоями поверхностей (рис. 5, а) можно представить схематически (рис. 6). Образование линейного кон- такта АaВa шириной ba поверхности вала 1 и поверхности плоского подшипника 2 происходит под дей- ствием осевой силы Ng, когда в поверхностях возникают контактные напряжения σа на воздухе. Его рас- ширение до АdВd с шириной bd и соответствующим их уменьшением до σd с учетом наличия на них ЭЖК-слоев толщиной d связано с жидкокристаллической природой граничных слоев. Таким образом, представленный механизм возникновения линейного контакта ЭЖК-слоями заключается в анизотропии свойств граничных слоев, адсорбированных на рабочих поверхностях, что приводит к уменьшению мак- симальных расчетных контактных напряжений вследствие увеличения фактической площади их дейст- вия упругодеформированными ЭЖК-слоями (рис. 6). Рис. 6 – 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 Таким образом, реально протекающие динамические процессы в граничных слоях (ДПГС) пол- ностью определяют фактическое напряженное состояние поверхностей трибоконтакта. 3.3. Распределение давления в граничных слоях при их трении скольжения в зависимости от зазора между поверхностями трибосистемы Представленные выше результаты указывают на протекание динамических процессов в гранич- ных слоях смазочной среды в модельном подшипнике скольжения не только при его осевом нагружении, но и при бесконтактном вращении вала. Поэтому представляют интерес исследования динамики возник- новения вторичных течений в граничных слоях смазочной среды в модельном подшипнике скольжения с изменяемым зазором между поверхностями. На первом этапе изучалось влияние степени погружения вращающегося вала в смазочную среду на потребляемую электроприводом мощность, то есть на величи- ну трения граничных слоев с покоящейся смазочной средой в объеме при отсутствии преград в виде дру- гих поверхностей (рис. 7). При постепенном погружении вращающегося модельного вала в смазочную среду и отсутствии преград в виде других поверхностей, то есть путем постепенного погружения вала 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 68 жидкость, существенно увеличиваются силы гидромеханического сопротивления, которые определены по изменению мощности W, потребляемой электроприводом. При этом с увеличение частоты вращения вала и глубины погружения его в среду потребляемая мощность возрастает. Очевидно, что увеличение вязкости смазочной среды при прочих равных условиях приведет к увеличению потерь энергии на ее пе- ремешивание вследствие гидромеханического трения набегающих граничных и покоящихся слоев. По- лученные результаты (рис. 7) показывают, что наряду с уменьшением вязкости смазочной среды к эко- номии энергии также приводит уменьшение смазываемой площади деталей трибосистем, погруженной в данную среду. Рис. 7 – Зависимость мощности двигателя W от частоты вращения ω и глубины погружения l модельного вала в смазочную среду (вакуумное масло ВМ-6) Рис. 8 – Распределение перепада давления P в граничных слоях вакуумного масла ВМ-6 от частоты вращения ω при минимальном зазоре 0,5 мм в координате 0 При наличии плоской неподвижной поверхности на некотором расстоянии от рабочей поверхно- сти модельного вала по обе стороны минимального геометрического зазора обнаружены две характерные области в направлении вращения вала (рис. 8). На входе в зазор давление повышается и возникают вто- ричные обратные течения; на выходе из зазора происходит разрежение среды, и возникают соответст- вующие течения из среды в зазор, что наблюдается визуально. Зазор = 1 мм Зазор = 0,75 мм Зазор = 0,5 мм Зазор = 0,25 мм 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 69 Зазор = 0,1 мм Зазор = 0,05 мм Рис. 9 – Распределение перепада давления в граничных слоях вакуумного масла (+ΔР та – ΔР) по координате Х относительно минимального зазора (6 мм) при разных скоростях вращения вала ω и минимального зазора определенной величины (1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,05 мм) между поверхностью вала и неподвижной плоской стенкой. Глубина погружения минимального зазора в масло 14 мм Этот эффект подтверждается множественными экспериментами в различных смазочных средах, в частности, в вакуумном масле ВМ-6 (рис. 9). При этом с увеличением частоты вращения вала в указан- ном диапазоне (рис. 8, 9) градиенты давления относительно области минимального зазора возрастают практически линейно. Представленные зависимости потерь мощности привода на трение и максимального перепада давления (рис. 8, 9) от частоты вращения и фиксированного зазора между рабочими поверхностями мо- дельной трибосистемы указывают на их тесную взаимосвязь. Аппроксимация полученных эксперимен- тальных данных (рис. 10, а) позволяет предположить, что при трении граничных слоев в микрометровом и нанометровом зазоре перепад давления ∆P возрастет на порядки, что вызвано соответствующим на по- рядки ростом градиентов давления (рис. 10, б). Это предположение составило основу разработки и соз- дания насосов нового типа и микро- наноразмерную триботехнику [12, 13]. При больших минимальных зазорах (hmin > 0,5мм) и малых скоростях вращения ω (ω < 300мин-1) давление в граничных слоях будет близким к атмосферному, что свидетельствует о малых скоростях вторичных возвратных течений в кон- фузорной области и приводит к излому зависимостей ∆P(hmin). Увеличение скорости вращения вала ин- тенсифицирует динамические процессы трения набегающих и вторичных течений, что соответственно приводит к росту градиентов давления. а б Рис. 10 – Зависимости потери мощности привода на трение W (а) и максимального перепада избыточного давления Рmax (б) от скорости вращения модельного вала и величины зазора (hmin) Таким образом, сила сопротивления, возникающая при трении приповерхностных граничных слоев, как контактного (без зазора под осевой нагрузкой), так и бесконтактного (с определенным зазо- ром), имеет одинаковую трибо-гидродинамическую природу. Известно [14], что граничные слои большинства смазочных материалов формируют на металли- ческих поверхностях эпитропные жидкокристаллические (ЭЖК) структуры. Это составляет основу пред- ложенного механизма возникновения вторичных гидродинамических течений в зазорах, меньших высо- ты структурно-чувствительных ЭЖК-слоев (рис. 11). 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 70 Рис. 11 – Схема возникновения вторичных гидро-динамических течений в зазоре h между модельными валом 1 и плоским подшипником скольжения 2 с ЭЖК-слоями 3 толщиной d, над которыми на высоте hcx граничные структурно-чувствительные слои жидкости практически неподвижны Вращение вала 1 вокруг своей оси со скоростью ω в жидкой среде в нормальных атмосферных условиях с давлением окружающей среды Рос = 0,1МПа схематически представлено на рис. 11. В случае отсутствия какого-либо препятствия около поверхности, образующей цилиндр вала, эпюры скоростей граничных слоёв смазочной среды можно упрощенно представить в виде треугольника, что характерно для Ньютоновской жидкости. Максимальную линейную скорость лυ r развивают ЭЖК-слои, имеющие некоторую толщину d, так как они характеризуются свойствами анизоторопных кристаллических струк- тур [3]. В начале движения ЭЖК-слоёв начинается их трение по слоям покоящейся в объёме изотропной жидкости. Близлежащие к ЭЖК-слоям молекулы среды также начинают перемещаться, но с меньшей скоростью. По мере удаления сенсора давления от поверхности при определённой линейной скорости лυ r поверхности вала (примем малые скорости до 0,5 м/с) на некотором расстоянии hсч движение моле- кул среды будет крайне мало, а датчики давления на этом расстоянии будут указывать на практическое отсутствие изменения давления и течения жидкости. То есть движущиеся с поверхностью структурно- чувствительные граничные слои смазки в бесконечном объёме жидкой среды характеризуются некото- рой высотой эпюры скоростей. На этой высоте hсч по нормали к поверхности, образующей цилиндр вала, чувствительность сенсоров к движению фрагментов среды снижается до 1 мм водяного столба, и теоре- тически можно предположить, что на расстоянии hсч скорость движения молекул жидкой среды практи- чески равна нулю. В наших экспериментах с помощью датчиков давления в среде моторных, гидравли- ческих и других технических масел измеренная высота структурной чувствительности граничных слоёв hсч не превышала 2 мм. Это значит, что движение самых дальних слоёв масла от поверхности станови- лось не существенным уже на расстоянии до 1 мм при малых скоростях. На больших расстояниях от по- верхности жидкость оставалась однофазной сплошной средой без воздушной фазы. При приближении препятствия к поверхности, образующей цилиндр вращающегося вала, в том числе и измерительного зонда, например, на плоской поверхности параллелепипеда, до расстояния меньше двух высот структурной чувствительности граничных слоёв среды hсч возникают вторичные те- чения (рис. 11). В сужающемся по направлению движения вала зазоре, то есть в конфузорной его облас- ти, происходит истечение среды из него в обратную движению вала сторону со скоростью кгдυ r . В расши- ряющейся части зазора, то есть в диффузорной области, жидкость втекает в зазор из объёма со скоро- стью дгдυ r . Эти течения возникают вследствие повышения давления в конфузорной области зазора, до его минимальной величины, где оно резко уменьшается до атмосферного. Это сопровождается соответст- вующим разрежением среды в диффузорной части зазора. Сжатие и разрежение среды, а также возни- кающие соответствующие вторичные течения из зазора и в зазор, направленные обратно вращению вала, приводят к росту потерь мощности электропривода, что подтверждается экспериментально. Полученные в данном разделе результаты указывают на взаимосвязь потерь мощности привода модельного вала подшипника скольжения, то есть силы трения, с условиями трения: вязкостью среды, осевой нагрузкой, скоростью скольжения, геометрией контакта, величиной зазора, площадью смазывае- мой поверхности. В совокупности эти параметры определяют распределение градиента давления в гра- ничных слоях смазочной среды относительно их минимальной толщины: положительный – в конфузор- ной области контакта, отрицательный – в диффузорной. Предложен механизм возникновения вторичных течений, согласующийся с гипотезой динамических процессов в граничных слоях, который состоит в их де- формации сжатия и растяжения в соответствующих конфузорной и диффузорной областях трибоконтакта. 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 71 3.4. Тепловые процессы в граничных слоях при трении скольжения После тщательной юстировки машины трения АСБ-03ТН и фокусировки тепловизора Ther- maCAMTM R65 контробразец путем медленного нагружения поднимался до соприкосновения с поверхно- стью, образующей цилиндр фторопластового ролика и создавался линейный контакт. Пари этом видео- камера фиксировала повышение температуры в образце на 3,5 °С относительно температуры окружаю- щей среды. При осевой силе сжатия 40 Н образовывался контакт шириной около 2,8 мм. Плавное снятие нагрузки и вывод из контакта германиевого контробразца приводили к выравниванию температуры че- рез несколько минут, т.е. тепловой след от созданного разовым сжатием контакта является следствием упругой деформации сжатия граничных слоев (рис. 12). Рис. 12 – 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 Распределение температуры исследовали как непосредственно в области трибоконтакта, так и в околоконтактной зоне. На рис. 13 представлено распределение температуры относительно контакта и направления скольжения модельного вала при трении в динамике: максимальная температура развивает- ся перед контактом, а торцевое повышение температуры свидетельствует о перетекании граничных слоев из конфузорной области контакта в диффузорную. Ранее экспериментально было установлено для трибоконтакта качения [5], что самое интенсив- ное теплообразование происходит не на выходе вала из контакта, а на входе в него (перед ним). Этот термоэффект с позиций ЭГД-теории смазки не нашел однозначного объяснения. В рамках гипотезы ДПГС повышение температуры перед входом вала в контакт при трении скольжения объясняется моле- кулярным трением набегающих и противоположно направленных вторичных течений граничных слоев смазки в конфузорной области трибоконтакта. а б в Рис. 13 – Распределение температуры в околоконтактных областях в статических условиях (а) и при трении скольжения в разных направлениях, указанных стрелками (б, в) В области входа вала в контакт с подшипником скольжения молекулярное трение набегающих и вторичных истекающих течений граничных слоев смазки, имеющих противоположное направление, приводит не только к повышению давления, но и к повышению температуры. В то же время в диффузор- ной области ожидается понижение температуры, вызванное локальным разрежением граничных слоев, вплоть до образования газо-воздушного пространства между поверхностями модельной трибосистемы скольжения и возникновения трибокавитации. Однако с использованием имеющейся аппаратуры вероят- ное понижение температуры в диффузорной области контакт установить пока не удалось. 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 72 Таким образом, тепловой эффект в конфузорной области трибоконтакта скольжения является следствием трения набегающих и вторичных возвратных течений граничных слоев. Термоэффект, с од- ной стороны, приводит к повышению тепловой напряженности трибосистемы, а с другой - интенсифи- цирует упруго-динамические и термодиффузионные микропроцессы тепломассопереноса, смешения и турбулентности смазки в конфузорной области. Очевидно, что с увеличением вязкости среды термона- пряженность контакта в конфузорной области возрастает вместе с увеличением силы трения и одновре- менным уменьшением теплоотдачи смазки. 3.5. Влияние агрегатного состояния смазочной среды на характеристики трибоконтакта скольжения С увеличением частоты вращения гидромеханическое сопротивление уменьшается, что обуслов- лено практическим отсутствием разрежения в диффузорной области контакта. При скоростях > 3 м/с для данной модельной трибосистемы в масле МС-20 возникает интенсивный барботаж и насыщение масла микропузырьками воздуха. Это объясняет снижение степени разрежения смазочной жидкости, так как масловоздушная суспензия в условиях всестороннего растяжения характеризуется на порядки меньшим модулем упругости. Зависимости силы трения Fтр и перепада давления ΔP в слоях смазки (МС-20) от скорости скольжения через 1 минуту после выхода трибосистемы на установившийся режим линейной скорости υ представлены на рис. 14, а. Аналогичные зависимости были получены при тех же скоростях, но через 10 минут трения (рис. 14, б), когда количество микропузырьков возрастало, обусловливая уменьшение перепада давления и, как следствие – силы трения. При трении в режиме жидкостной смазки с увеличе- нием скорости от 0,1 до 0,6 м/с сила трения и давление в конфузорной области контакта изменяются со- гласованно (рис. 14). Визуально установлено, что с увеличением скорости в прозрачном масле МС-20 возникают воздушные пузырьки, количество которых и интенсивность образования со временем возрас- тает. С увеличением скорости скольжения до значения 0,6 м/с масло теряет прозрачность, а при даль- нейшем ее увеличении в контактной зоне формируется непрозрачная однородная масловоздушная смесь в виде суспензии серого цвета. а б Рис. 14 – Зависимость силы трения Fтр и максимального избыточного давления ΔP от скорости линейного скольжения υ при осевой нагрузке 4 Н через 1 мин (а) и через 10 мин (б) после выхода на установившийся режим Таким образом, впервые экспериментально показано, что причиной экстремального изменения силы трения при увеличении скорости скольжения трибоконтакта в моторном масле МС-20, является его переход из гомогенного жидкого состояния в многофазную масло-паровоздушную суспензию. Образо- вание масло-паровоздушной суспензии, вызванное увеличением скорости вращения вала, приводит к увеличению коэффициентов сжатия и расширения исходно однородной жидкой смазочной среды. Уменьшение сопротивления сжатию смазочных слоев в конфузорной области контакта и разрежения - в диффузорной приводят к снижению интегральной вязкости, скорости вторичных обратных течений, тем- пературы и силы трения. Фактическое фазовое состояние смазочной среды является важным фактором, существенно влияющим на результаты трибологических испытаний при оценке эффективности смазок с различными реологическими свойствами. Таким образом, замена гомогенной однофазной жидкой смазки на масловоздушную смесь позволяет повысить работоспособность и эффективность трибосистем. Про- цесс расслоения смазки ИПМ-10 в конфузорной области контакта и возникновения устойчивой газовой полости в диффузорной наблюдается визуально (рис. 15). 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 73 а б Рис. 15 – Расслоение граничных слоев в конфузорной области контакта (а) и газо-паровоздушная полость (б) при трении скольжения Процессы фазового перехода граничных слоев в области их разрежения, где возникают условия для интенсивного трибоадгезионного взаимодействия поверхностей, подтверждают десорбционно- адгезионный механизм изнашивания трибосистем [7]. Эксперимент показал, что разрежение в диффу- зорной области трибоконтакта в среде вакуумного масла ВМ-6 при малых максимальных расчетных кон- тактных напряжениях (1 МПа) и скорости скольжения 0,3 м/с достигает порога его кавитации – 3.10-6 мм ртутного столба. При таком низком давлении происходит десорбция граничных слоев, и некоторые уча- стки поверхностей вступают в непосредственный контакт, реализуя адгезионное взаимодействие в усло- виях квазисухого трения. В результате образования мостиков схватывания, некоторые фрагменты под- шипника скольжения будут налипать на поверхность вала и вместе с ним двигаться в конфузорную об- ласть зазора. Часть фрагментов, имеющих высокую степень связи с валом, становится микрорезцами для подшипника, другие подрезаются на входе в вал и выносятся в виде продуктов изнашивания. Об этом свидетельствует наблюдаемое закономерное адгезионное изнашивание поверхностей трения в диффу- зорных областях трибосистем в условиях граничной смазки. Оно всегда происходит в зоне выхода вала из контакта с характерными вырывами материала вследствие образования и разрушения адгезионных мостиков сваривания, чего никогда не наблюдается на входе [7]. Таким образом, именно диффузорная область трибоконтакта, где происходит разрежение, ответственна за работоспособность трибосистем. Таким образом, процессы разрежения смазки в диффузорных областях контакта и трибокавита- ция, наряду с барботажем, способствующие выделению из смазочной среды газо-воздушной составляю- щей в условиях высокой степени разрежения в граничных слоях при локальном давлении, близком к давлению насыщенных паров масла, определяют условия квазисухого трения в ДО. Выводы 1. Впервые установлена взаимосвязь возвратных (реверсивных) течений смазочной среды с ос- новными ее физико-механическими, теплофизическими свойствами, триботехническими характеристи- ками системы и выявлен механизм их возникновения. 2. Предложены механизмы возникновения вторичных течений, согласующиеся с гипотезой ди- намических процессов в граничных слоях в условиях бесконтактного трения (с определенным мини- мальным зазором между модельными валом и подшипником) и при граничном трении. Он заключается в деформировании граничных слоев (трение с зазором) и/или ЭЖК-слоев (граничное трение) путем сжатия в конфузорных областях и растяжения – в диффузорных, что приводит к возникновению соответствую- щих вторичных течений: в КО – из контакта в среду, а в ДО – из среды в контакт. В соответствии с этим механизмом находит свое объяснение известный термоэффект [5]: повышение температуры перед кон- тактом, в его конфузорной области, происходит вследствие интенсивного трения набегающих с поверх- ностью вала граничных слоев и истекающих из контакта вторичных течений смазки. 3. Величина осевой нагрузки и скорость скольжения трибоконтакта полностью определяют ин- тенсивность ДПГС, то есть вторичных (обратных) течений, которые в свою очередь приводят к возник- новению разнополярных градиентов давления по обе стороны контакта. 4. Установлена взаимосвязь потерь мощности привода модельного вала подшипника скольже- ния, то есть силы трения, с условиями трения: вязкостью среды, осевой нагрузкой, скоростью скольже- ния, геометрией контакта, величиной зазора, площадью смазываемой поверхности. В совокупности эти параметры определяют распределение градиента давления в граничных слоях смазочной среды относи- тельно их минимальной толщины: положительный - в конфузорной области контакта, отрицательный - в диффузорной. 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 III. Взаимосвязь динамических процессов ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 74 5. Реально протекающие динамические процессы в граничных слоях полностью определяют на фактическое напряженное состояние поверхностей трибоконтакта. 6. Процессы разрежения смазки в диффузорных областях контакта и трибокавитация, наряду с барботажем, способствуют выделению из смазочной среды газо-воздушной составляющей в условиях высокой степени разрежения в граничных слоях при локальном давлении, близком к давлению насы- щенных паров масла. 7. Причиной экстремального снижения силы трения с увеличением скорости скольжения трибо- контакта, обильно смазанного моторным маслом, является его переход из гомогенного прозрачного жид- кого состояния в гетерогенную масло-паровоздушную суспензию. Ее образование при повышенной ско- рости вращения вала приводит к увеличению на порядок коэффициентов сжатия и растяжения исходной жидкой смазочной среды. Уменьшение сил сжатия смазочных слоев такой суспензии в конфузорной об- ласти контакта и разрежения - в диффузорной снижает интегральную вязкость, скорость вторичных об- ратных течений, температуру и, как следствие - силу трения. Фазовое состояние смазочных материалов может существенно влиять на результаты оценки их эффективности. Поэтому при испытаниях смазоч- ных материалов разных классов на средних и больших скоростях рекомендуется учитывать фактическое фазовое состояние смазочной среды. 8. Проведенные исследования трибосистем с определенным минимальным зазором между по- верхностью вала и радиальным подшипником позволили предложить новые способы и устройства нагне- тания и разрежения среды путем реализации бесконтактного трения поверхностей с граничными слоями и использования эффектов их сжатия в конфузорных областях и разрежения – в диффузорных [12, 13]. Автор выражает благодарность коллективу лаборатории нанотриботехнологий НДЧ НАУ, за не- посредственное 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. Стельмах А.У. Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение 1. Закономерности процесса изнашивания при трении в условиях граничной смазки // Про- блеми трибології (Problems of Tribology). – 2012. – № 1. – С. 106-112. 8. Компресійно-вакуумна складова сили тертя в умовах граничного змащування / О.У. Стельмах // Вісн. Нац. авіац. ун-ту. – 2008. – N 4. – С. 74-81. – Бібліогр.: 14 назв. – укp. 9. Стельмах А.У. Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение 2. Новые приборы и методы исследования граничных слоев трибосистем // Проблеми трибо- логії (Problems of Tribology). – 2012. - №2. – С. 96-107. 10. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / В.Д.Зозуля, Е.Л.Шведков, Д.Я.Ровинский, Э.Д.Браун; Отв. ред. И.М.Федорченко. АН УССР. Ин-т проблем материаловедения. – 2-е изд., перераб. и доп.- К.: Наук думка, 1990. – 264 с. 11. Запорожец В.В. Диагностика узлов трения авиационной техники / В.В. Запорожец, В.А. Бер- динских. – К.: КИИГА, 1987. – 164 с. 12. Патент на корисну модель №65839 Україна, (51) МПК (2011.01) F04B 19/00, F04C 25/00. Спосіб нагнітання і 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 р. – 22 с. 13. Патент на корисну модель №65840 Україна, (51) МПК (2011.01) F04С 2/00. Пристрій для на- гнітання і 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 09337; заявл. 26.07.2011; опубл. 12.12.2011. Бюл. №23, 2011 р. – 32 с. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com