12_Stelmah.doc Адгезионно - деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 68 Стельмах А.У. Национальный авиационный университет, г. Киев, Украина АДГЕЗИОННО - ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГРАНИЧНЫХ СЛОЯХ. СООБЩЕНИЕ IV. ФИЗИЧЕСКАЯ АДГЕЗИОННО - ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ (АГД) МОДЕЛЬ ТРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ ТРИБОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ГРАНИЧНОЙ СМАЗКИ 1. Введение Решение проблемы управления работоспособностью трибосистем с граничным трением, являю- щейся одним из наиболее актуальных направлений современной трибологии, невозможно без создания физической модели процесса. Фундаментом наиболее признанных адгезионно - деформационной теории граничной смазки (АД) и эластогидродинамического (ЭГД) подхода к описанию процессов трения и из- нашивания служат соответствующие противоречащие друг другу физические модели. Поскольку гра- ничное трение осуществляется в жидкой смазочной среде, естественно предположить влияние свойств этой среды и протекающих в ней динамических процессов на триботехнические характеристики узла со- пряжения, и, соответственно, на его работоспособность. Однако до настоящих исследований этому во- просу не уделялось достаточного внимания, поэтому для устранения противоречий между АД и ЭГД мо- делями представляет интерес создание компромиссной адгезионно - гидродинамической (АГД) модели, которая устраняла бы разногласия адгезионно - деформационного и эластогидродинамического подходов к описанию процессов граничного трения и изнашивания с учетом влияния взаимообусловливающих гидродинамических и адгезионно - деформационных процессов на работоспособность трибосистем. С позиций существующей АД модели предполагается дискретный характер адгезионного взаи- модействия тех участков рабочих поверхностей по всей контурной площади контакта, где происходит локальное разрушение граничного смазочного слоя под действием нормальных и тангенциальных на- пряжений [1], при этом влияние динамических процессов в граничных слоях (ГС) на работоспособность трибосистемы не рассматривается. Экспериментально эта модель не подтверждена. Так, в работе [2] ав- тор, опираясь на многочисленные исследования, аргументировано утверждает, что разрыв граничного слоя всегда происходит внутри слоя и никогда достоверно не наблюдается на межфазной границе "твер- дое тело - граничный слой". ЭГД модель теоретически бесконтактного и безызносного трения, которое применимо к трибо- системам с малыми нагрузками и высокими скоростями скольжения полированных поверхностей, осно- вана на следующих положениях. В процессе трения давление в смазочном слое трибоконтакта всегда выше давления окружающей среды и отождествляется с контактными напряжениями поверхности [3, 4, 5]. Экспериментально установленное смещение минимальной толщины смазочной пленки ЭГД-контакта в его диффузорную область, а также повышение контактных напряжений (пик Петрусевича) в этой об- ласти не находят однозначного объяснения. ЭГД модель постулирует безызносность трибосистем, что на практике не подтверждается. Современное моделирование трибосистем развивается с учетом кавитационных процессов, на- блюдаемых в смазочных слоях диффузорной области трибоконтактов, путем модификации классическо- го уравнения О. Рейнольдса с использования новых математических аппаратов его решения, например, алгоритма сохранения масс [6]. Природа кавитации до конца не выяснена. Известно, что твердая поверх- ность оказывает упорядочивающий эффект на жидкость и как бы кристаллизует прилегающую непо- средственно к ней тонкую прослойку жидкости, которая имеет, так называемую, эпитропную жидкокри- сталлическую (ЭЖК) структуру [7]. Недавние исследования [8] показали, что структура жидкости в не- посредственной близости к твердой поверхности сложнее, чем представлялось ранее. В обычных нор- мальных условиях в жидкостях всегда хоть и в малых концентрациях, но присутствуют растворенные га- зы (1…6% объема), а при смачивании твердой стенки их разделяет тончайший слой газа, который миг- рирует из объема жидкости и оседает на поверхности твердого тела. Этот установленный эффект имеет огромное значение для трибосистем, так как газовый подслой является ее новым дополнительным эле- ментом. Поэтому современная физическая модель трибосистем с граничной смазкой должна отражать фазовые превращения агрегатного состояния граничных слоев, в том числе и кавитационные эффекты [9]. Значимость влияния свойств смазочной среды и протекающих в ней динамических процессов в граничных слоях (ДПГС) на работоспособность трибосистемы была установлена нами [10, 11, 12] на ос- нове изучения взаимосвязи различных свойств граничного слоя (физико-механических, теплофизиче- ских, реологических и др.) с параметрами трения. В частности, экспериментально было доказано возник- новение вторичных (обратных) течений в конфузорной и диффузорной областях в направлении, обрат- 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 69 ном скольжению, и появление взаимосвязанных с ними разнополярных градиентов давления на обеих сторонах контакта и, в конечном счете, возникновение в диффузорной области условий квазисухого тре- ния, определяющих работоспособность трибосистемы в целом. Цель данной работы – на основе проведенных комплексных исследований контактной области модельного подшипника скольжения, полученных с использованием новых оригинальных приборов, разработать физическую адгезионно-гидродинамическую (АГД) модель трения и на ее основе создать физико - технологические основы управления работоспособностью трибосистем в условиях граничной смазки, подтвержденные натурными испытаниями. 2. Методы и приборы Экспериментальные данные, положенные в основу предлагаемой ниже физической модели, по- лучены на разработанных и созданных приборах и методах [11]. Кроме этого был разработан и изготов- лен лазерный сканирующий дифференциально - фазовый микроскоп-профилометр в конфигурации "на просвет" (ЛСДФМП-п), на котором исследовали кинетику фазовых превращений агрегатного состояния жидкой смазочной среды в системе "граничный слой - газ - поверхность": нуклеацию, рост и схлопыва- ние микропузырьков, возникающих в смазке в процессе трения. а б Рис. 1 – Микро- и нанопузырьки в масле ХФ12-16 после длительного трения скольжения (3 часа) при осевой нагрузке 4 Н и линейной скорости 0,8 м/с модельной трибосистемы прибора трения АСБ-02 [11], полученные путем сканирования на ЛСДФМП в конфигурации "на просвет" в амплитудном (а) и в дифференциально - фазовом (б) режимах сканирования Этот прибор позволяет исследовать газовые полости на просвет внутри жидкости на двух режи- мах: амплитудном и дифференциально - фазовом. Их сочетание дает возможность исследовать не только контуры газовой фазы в плане (амплитудный), но и получать 3-D изображение (дифференциально- фазовый). В качестве примера на рис. 1 показаны возможности этого прибора при исследовании газовых полостей в масле ХФ12-16 после трения. В амплитудном режиме (рис. 1, а) и в более контрастном диф- ференциально-фазовом наряду с одной большой газовой полостью (50 мкм) фиксируются газовые пу- зырьки меньших размеров, причем их количество тем больше, чем меньше их размер, количество пу- зырьков диаметром около 4 мкм составляет 4, тогда как с уменьшением диаметра до 1 мкм, их количест- во возрастает до 25. Это дает основания предположить возможность образования наноразмерных газо- вых полостей в маслах в процессе трения, что подтверждает двухфазное состояние смазки. 3. Результаты исследований и обсуждение 3.1. Физическая адгезионно - гидродинамическая (АГД) модель трения радиального подшипника скольжения 3.1.1. Слоистая структура граничных слоев В основу представлений о структуре граничного слоя положены результаты фундаментальных исследований Ахматова А.С. [2], где граничные слои на поверхности твердой фазы представляются в ви- де поликристаллической зоны граничного слоя и монокристаллической зоны на границе раздела фаз с поликристаллической поверхностью металла. Как известно, в нормальных условиях в смазочных материалах протекает интенсивный тепло- массоперенос молекул газа и жидкости на свободной поверхности раздела фаз "жидкость - воздух". По 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 70 данным [13] в большинстве минеральных масел в нормальных атмосферных условиях при эксплуатации растворенные газы занимают 8 … 12 % объема. Растворенными газами в смазочных материалах при тре- нии, как правило, пренебрегают в силу их "незначительного" количества. Однако даже приблизительная оценка соотношения количества молекул двухатомных газов, приходящихся на количество молекул мас- ла, например, олеиновой кислоты С17Н33СООН при 5 % объемной концентрации растворенных газов по- казывает, что на одну молекулу масла с 54-х атомным строением приходится 2 - 3 молекулы газов. В пользу этого предположения говорят и следующие рассуждения. Предположим, что молекулы имеют строение в виде соприкасающихся шариков с соответст- вующим атомным радиусом (углерод – 0,077 нм, водород – 0,046 нм, кислород 0,066 нм, азот – 0,074 нм). Тогда объем молекулы олеиновой кислоты будет порядка 50,2 · 10-3 нм3, а молекулы кислорода – 2,4 · 10-3 нм3, азота – 2,1 · 10-3 нм3. Следовательно, при 5 % - й концентрации раствора атмосферных газов на одну мо- лекулу олеиновой кислоты должно приходиться более, чем одна молекула кислорода или азота. Или, объем одной молекулы газа составляет приблизительно 4 % объема одной молекулы олеиновой кислоты. Исходя из этого, справедливо предположение о том, что в нормальных условиях в смазочных материа- лах, близких по химическому составу к олеиновой кислоте, большинство из которых используется в тех- нике, на одну молекулу масла приходится более одной молекулы газа, растворенного на границе раздела воздух - масло. Если учесть, что объем водорода (0,8 · 10-3 нм3), гелия (1,0 · 10-3) существенно меньше, чем объем азота, то, видимо, в нормальных условиях может быть и больше молекул растворенных газов, приходящихся на одну молекулу масла. Таким образом, некорректно игнорировать газовой компонентой в смазочной среде при нормальных атмосферных условиях. О наличии газовой приповерхностной прослойки на границе раздела "граничный слой смазки - поверхность" свидетельствуют многочисленные эксперименты на приборах трения АСБ-02 [11]. Визу- ально наблюдаемые газо-воздушные полости в диффузорной области трибоконтакта возникали и нахо- дились в динамическом равновесии при сверхмалых погонных нагрузках и скоростях: 0,1 Н/мм в линей- ном контакте 9 мм вала радиусом 80 мм с плоскостью и 0,04 м/с, соответственно. Подтверждением суще- ствования газового подслоя в структуре граничных слоев смазки являются недавние исследования про- цессов смачивания поверхностей [8]: экспериментально установлена диффузия молекул газа из жидкой фазы на поверхность твердой подложки, то есть возникновение газовой прослойки. С учетом этого и представлений А.С.Ахматова, а также результатов собственных исследований [12], обобщенная схема граничного слоя может быть представлена в виде слоистой структуры, включающей в себя растворенные газы и газовый подслой (рис. 2). Рис. 2 – Обобщенная структура эпитропного жидкокристаллического (ЭЖК) слоя граничной смазки с учетом растворенных газов на полированной поверхности металлической детали: 1 – поликристаллическая поверхность металла [2]; 2 – несущий слой Бейльби [1]; 3 – газовый подслой [8]; 4 – молекулы растворенных газов [13]; 5 – молекулы смазки [2]; 6 – изотропное объемное состояние двухфазной смазки с растворенными молекулами газов; 7 – переходная область [2]; 8 – монокристаллический молекулярный слой [7] Взяв за основу модель структуры ЭЖК-слоев смазки с учетом растворенных газов (рис. 3), обра- зование контакта смазанных поверхностей при их одноосном сжатии представляется следующим обра- зом. При сближении смазанных поверхностей жидкая мезогенная фаза 4 выдавливается из зазора (б) на- ружу в среду и начинается упругое деформирование переходных областей 3 ЭЖК слоев. При этом коли- чество жидкой фазы уменьшается, а газовые подслои, вероятно, будут растворяться в мономолекулярных упруго - деформируемых слоях смазки. При большей нагрузке (в) мономолекулярные слои будут упруго деформироваться в соответствии с законом Гука [2]. Таким образом, следует весьма важный вывод: при увеличении осевой нагрузки сжатия поверхностей с ЭЖК-слоями смазки (рис. 3, а), количество жидкой фазы в зазоре будет уменьшаться, а концентрация газов в этих слоях возрастать (рис. 3, б). Вероятно этим и объясняется рост газовых полостей и степени разрежения в диффузорных областях при трении скольжения с одной скоростью при увеличении осевой нагрузки, приведенных в работе [12] и схемати- чески показанных на рис. 3 (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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 71 а б в Рис. 3 – Структура ЭЖК - слоев с учетом адсорбированных и растворенных газов в смазочной жидкости между двумя поверхностями с зазором (а) и при сжатии поверхностей с небольшим усилием N1 (б) и при высоких контактных нагрузках N2 >> N1 (в) Литературные данные [1 - 8] и результаты собственных исследований [10 - 12] позволяют сфор- мулировать основные свойства граничных слоев смазочной среды, которые во многом определяют три- бологическое поведение радиального подшипника скольжения, шероховатость поверхностей трения ко- торого принимается идеально гладкой с учетом ее реального волнистого состояния с параметром Ra < 20 нм: - смазочная среда в объеме является не ньютоновской жидкостью, а двухкомпонентным, газо- жидкостным, текучим и вязким веществом; - смазочная среда в условиях всестороннего сжатия в объеме может рассматриваться, как ньюто- новская жидкость, а в условиях всестороннего растяжения - как двухкомпонентное вещество (раствор га- зов в жидкости); - смазочная среда при смачивании поверхностей твердой фазы, находясь в силовом поле послед- ней, структурируется в эпитропные жидкокристаллические (ЭЖК) приповерхностные двухфазные слои, обладающие анизотропией вязкоупругих, оптических и других свойств с определенным параметром порядка. - в результате массообменных и диффузионных процессов на границе раздела фаз "жидкость - твердое тело" из приповерхностных ЭЖК - слоев выделяются молекулы газов, образуя газовый подслой; - ЭЖК-слои в условиях их одностороннего статического сжатия путем сближения под нагрузкой твердых подложек не разрушаются, воспринимая одноосные напряжения сжатия с модулем упругости, близким к алмазу, при этом увеличение нагрузки на ЭЖК - слои приводит к экструзии их фрагментов в объем жидкости; - всестороннее растяжение предварительно упругодеформированных сжатием фрагментов ЭЖК- слоев путем снятия нагрузки или разнесения твердых подложек приводит к газовой нуклеации и появле- нию газовых полостей (микрокаверны, пузырьки), образованных из молекул растворенных газов, легких фракций смазочной среды и газового подслоя. Таким образом, граничные слои представляют собой слоистую дфухфазную структуру с раство- ренными в ней газами, содержащую газовый подслой на границах раздела "жидкость - твердое тело", ко- торый играет доминирующую роль в инициировании газообразования и трибокавитации в диффузорной области контакта [10, 12, 14]. 3.1.2. Основные физические процессы в различных областях подшипника скольжения и их ха- рактеристики Базовой трибосистемой скольжения традиционно служит радиальный подшипник скольжения (рис. 4, а), поперечное сечение которого показано на рис. 4, б, где под действием осевой нагрузки N скольжение осуществляет вал 1 с частотой вращения ω по поверхности подшипника 2, зазор h между ко- торыми полностью заполнен жидкой смазочной средой. Зазор между поверхностью вала и рабочей по- верхностью подшипника является одним из важнейших его параметров. В зависимости от диаметра вала и частоты его вращения максимальный зазор hmax регламентируется в диапазоне от 40 до 760 мкм при соответствующих скоростях (менее 1000 об/мин и более 1500 об/мин) и диаметрах: от 18 до 600 мм. На модельном плоском подшипнике скольжения в различных средах экспериментально установ- лено [10, 12], что динамические процессы в граничных слоях при относительно малых скоростях и на- грузках возникают соответственно в зазорах: 78 мкм - в керосине и до 310 мкм - в масле ИПМ-10. 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 72 а б Рис. 4 – Схема радиального подшипника скольжения (а) и его сечение (б) С увеличением скоростей и нагрузок возрастают протяженности околоконтактных площадок, а следовательно, и площадь сегментов рабочей области подшипников, где возникают динамические каса- тельные и нормальные напряжения во фрагментах смазочного слоя. Таким образом, в реальных подшип- никах скольжения с наногеометрическими поверхностями и исходно полностью заполненным смазкой зазором динамические процессы в граничных слоях будут протекать во всем зазоре. При фиксированном положении центров вала и цапфы сечение подшипника (рис. 5, а) и зазор между плоской поверхностью вала 1 и подшипника 2 можно представить в развернутом виде (рис. 5, б). Зазор, образующийся между рабочей поверхностью развернутого в плоскость вала 1 и поверхностью подшипника 2, преобразованный соответственно в косинусоиду, представлен на рис. 5, б. а б Рис. 5 – Характерные области подшипника скольжения, где в радиальном направлении движения вала x изменяются давление масла pм и величина зазора h в граничных слоях (а) и развернутый зазор между плоской поверхностью вала 1 и подшипника 2 (б) в условиях атмосферного давления p0 при внешней нагрузке N, линейной скорости υ и "контактных напряжений" σ в поверхностях При движении вала в радиальном направлении x [0….π...2π] периодически изменяются: дав- ление в граничных слоях p и величина зазора h. Учитывая динамические процессы в граничных слоях смазки, протекающие в околоконтактной и упругодеформированной зонах трибоконтакта, можно выде- лить шесть характерных областей (рис. 5, а). В зависимости от изменения геометрии зазора относительно линии центров вала и подшипника dh/dx в радиальном направлении условно можно выделить следующие области, принципиально отли- чающиеся распределением градиентов давления dP/dx в граничных слоях смазки: I. Конфузорная бесконтактная область, где σ = 0, dh/dx < 0 и dр/dx > 0; II. Конфузорная упругодеформированная область, где σ > 0, dh/dx < 0 и dр/dx > 0; III. Переходная область минимального зазора σ = σmax, h = hmin и dр/dx ≈ 0; IV. Диффузорная упругодеформированная, где σ > 0, dh/dx > 0 и dр/dx < 0; V. Диффузорная бесконтактная σ = 0, dh/dx > 0 и dр/dx < 0; VI. Переходная область максимального зазора σ = 0, h = hmax и dp/dx ≈ 0; 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 73 В табл. 1 представлены основные характеристики двух конфузорных, двух переходных и двух диффузорных областей радиального подшипника скольжения. Таблица 1 Основные характеристики конфузорных, переходных и диффузорных областей в радиальном подшипнике скольжения Конфузорные области Переходные области Диффузорные области I II III VI IV V Напряжения σ сжатых силой N идеальных поверхностей в линейном контакте по Г. Герцу с учетом деформации шириной b на воздухе в статике КО I КО II ПО III ПО VI ДО IV ДО IV σ > p0 (σ – p0)2/ σmax + + x2 / b2 = 1 σ ≈ p0 + σmax σ ≈ p0 (σ – p0)2 / σmax + + x2 / b2 = 1 σ < p0 Давление в граничных слоях py по оси действия нагрузки N в статике КО I КО II ПО III ПО VI ДО IV ДО IV py ≈ p0 py ≈ p0 py ≈ σmax + p0 py ≈ p0 py ≈ p0 py ≈ p0 Объемное давление масла в граничных слоях p при трении идеально гладких поверхностей КО I КО II ПО III ПО VI ДО IV ДО IV p > p0 p > p0 p ≈ p0 p ≈ p0 p < p0 p < p0 Градиент давления в смазочных слоях dp / dx dp/dx>0 dp/dx≈0 dp/dx<0 Ускорение граничных слоев вала dυ / dt КО I КО II Переходные области III и VI ДО IV ДО V dυ / dt ≈ 0 dυ / dt < 0 dυ / dt ≈ 0 dυ / dt > 0 dυ/dt ≈ 0 Плотность смазочной жидкости ρ ρ > ρ0 ρ >> ρ0 ρ ≈ ρ0 ρ > ρ0 ρ << ρ0 ρ < ρ0 Градиент напряжений в поверхностях dσ / dx > 0 dσ / dx >> 0 dσ / dx ≈ 0 dσ / dx ≈ 0 dσ / dx << 0 dσ/dx < p0 Необходимо подчеркнуть, что определяющую роль в трибологическом поведении подшипников скольжения играют упругодеформированные области минимального зазора, где происходит изнашива- ние и возникает максимальное сопротивление движению вала. Однако, немаловажное значение имеют также бесконтактные области, влияющие на распределение смазки в упругодеформированных областях. Подробно этот вопрос рассмотрен ниже. Обобщение полученных экспериментальных данных [10 - 12] позволило установить взаимосвязь процессов, протекающих при одностороннем трении скольжения в характерных упругодеформирован- ных областях II, III и IV (рис.5, а) в направлении движения вала: "конфузорная область (КО) → переход- ная область (ПО) → диффузорная область (ДО)". Протекающие взаимосвязанные процессы представле- ны в табл. 2. Таблица 2 Взаимосвязанные физические процессы в характерных областях подшипника скольжения Конфузорная область (сужающийся зазор) Переходная область (минимальный практически параллельный зазор hmin) Диффузорная область (расширяющийся зазор) 1 2 3 Деформационные процессы в граничных слоях смазки Деформация сжатия Максимальная деформация и минимальная толщина зазора Деформация растяжения Возвратные течения из контакта в среду Параллельное скольжение граничных слоев Возвратные течения из среды в контакт Экструзия среды через торцы из контакта Торцевое перетекание среды из КО в ДО Торцевое всасывание среды в контакт Циркуляция набегающих и возвратных течений Переход сжатия граничных слоев в разрежение Циркуляция выходящих фрагментов и возвратных течений Эффект "масляного клина" Дросселирование граничных слоев из КО в ДО Десорбция граничных слоев 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 74 Продолжение таблицы 2 1 2 3 Тепломассообменные и упругодеформационные микропроцессы в граничных слоях Растворение газового граничного подслоя в ЭЖК-слоях смазки Повышение концентрации газов и их растворение в ЭЖК-слоях смазки Выделение газовой компоненты ЭЖК-слоев в виде микропузырьков и обогащение ими смазки Термоэффект Скольжение упруго-деформированных ЭЖК-слоев смазки Разрежение Образование маслогазовоздушной смеси в объеме масла Фрагментация (расслоение, турбулентность) встречными течениями Массодиффузионные процессы обогащения граничных слоев газами Нуклеация, рост газо - воздушных каверн, трибокавитация Взаимодействие поверхностей Поверхности полностью разделены слоем сжатых граничных слоев Поверхности полностью разделены упругодеформированными слоями с толщиной hmin Поверхности притягиваются за счет разрежения в граничных слоях Понижение "контактных" на- пряжений за счет эффекта "масляного клина" Максимальные "контактные" напряжения в поверхностях и в эпитропных ЭЖК - граничных слоях Повышение контактных напряжений на величину, равную степени разрежения в граничных слоях Составляющие силы трения Тангенциальная (набегающих и возвратных течений) и нормальная (повышенное давление) гидродинамическая Тангенциальная и нормальная гид- родинамические составляющие ли- нейного скольжения ЭЖК слоев в минимальном зазоре Тангенциальная (выходящих фрагментов и возвратных течений) и нормальная (пониженное давление) гидро- динамические составляющие Тангенциальная и нормальная составляющие микрорезания Тангенциальная и нормальная составляющие микрорезания Тангенциальная и нормальная составляющие адгезионного схватывания Изнашивание поверхностей трения скольжения Микрорезание подшипника продуктами адгезии, образовавшимися в ДО Микрорезание подшипника продуктами адгезии, образовавшимися в ДО Адгезионное схватывание и образование продуктов адгезии на валу Протекающие физические процессы в упругодеформированных областях контакта свидетельст- вуют о тесной взаимосвязи гидродинамических и упруго-деформационных процессов в граничных слоях и на поверхностях и соответственно - с механизмом изнашивания в конфузорной, переходной и диффу- зорной областях трибоконтакта. При этом определяющим интенсивность изнашивания является процесс разрежения граничных слоев в ДО, вызывающий их десорбцию и адгезионное схватывание поверхно- стей. Поэтому первостепенное значение для работоспособности трибосистем приобретают динамические процессы в граничных слоях смазки, протекающие во всех характерных областях контакта. При этом не- обходимо также учитывать, что в условиях квазисухого трения в ДО, согласно работе [16], благодаря импульсному упругому и неупругому деформированию локальных микрообъемов происходит периоди- ческое формирование и разрушение образующихся всегда вторичных структур на рабочих поверхностях трибосистемы, оказывающих влияние на адгезионное схватывание поверхностей. 3.1.3. Контактное и бесконтактное трение граничных слоев После заполнения зазора смазкой и создания осевой нагрузки наружная поверхность вала и внутренняя поверхность подшипника с имеющимися на них граничными слоями смазки будут сближать- ся по оси и в направлении приложения силы N (рис. 3). При этом поверхности и граничные слои упруго деформируясь, будут реализовывать упругий «контакт», в котором зазор уменьшается по мере увеличе- ния нагрузки, а с противоположной стороны зазор между валом и подшипником будет увеличиваться. Учитывая высокую прочность граничных слоёв, а также их подвижность и способность выдавливаться при сжатии поверхностями в плоскости контакта, можно утверждать, что контакт поверхностей с нано- геометрическими параметрами шероховатости не произойдет, вплоть до предела текучести стали при сжатии [2]. Тогда процесс трения скольжения радиального подшипника следует рассматривать дифферен- цированно в двух возможных вариантах его работы: 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 75 1. Бесконтактное трение слоев смазки в случае наличия большого зазора hmin, который превыша- ет сумму высот эпитропных жидкокристаллических слоёв смазки hmin >2d, (рис. 6) с характерными че- тырьмя областями: конфузорная – I, переходная область с минимальным зазором hmin >2d – II, диффу- зорная область III и переходная область с максимальным зазором hmax – IV (рис. 6, а). а б Рис. 6 – Схема зазора радиального подшипника скольжения, образованного поверхностью трения вал 1, развернутым в плоскость и подшипника 2, заполненного смазкой с ЭЖК слоями 3 толщиной d: без скольжения (а) и при скольжении (б) с минимальным зазором hmin > 2d Как было показано в работе [12], при бесконтактном трении в граничных слоях протекают ин- тенсивные динамические процессы сжатия/растяжения граничных слоев и возникновение возвратных те- чений в конфузорной и диффузорной областях соответственно (рис. 6, б), влияющих на тепломассопере- нос в упругодеформированных областях, а именно, на количество смазки, поступаемой в КО, степень ее разрежения в ДО и агрегатное состояние смазки. 2. Контактное трение жидкокристаллических слоёв смазки в случае осевого их сжатия поверхно- стями под осевой нагрузкой N с соответствующей упругой деформацией ЭЖК - слоёв, которая меньше двух высот ЭЖК - слоев смазки hmin >2d (рис. 7). В этом случае выделяются соответствующие шесть ха- рактерных областей: конфузорная бесконтактная – I, упругодеформированная конфузорная – II; пере- ходная область с минимальным зазором hmin >2d – III, диффузорная упругодеформированная область – IV; диффузорная бесконтактная – V и переходная область с максимальным зазором hmax – VI. а б Рис. 7 – Схема зазора радиального подшипника скольжения, образованного поверхностью трения вал 1, развернутым в плоскость и подшипника 2, заполненного смазкой с ЭЖК слоями 3 без скольжения (а) и при скольжении (б) с минимальным зазором hmin < 2d 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 76 Первая область I – бесконтактная конфузорная, где повышается давление в граничном смазоч- ном слое за счет трения упруго - деформируемых набегающих и встречных течений истекающих гранич- ных слоев. При увеличении скорости в этой области смазочный слой полностью воспринимает внешнюю нагрузку на себя, раздвигая поверхности и предотвращая их непосредственный контакт. Превышение скорости скольжения некоторого критического значения, когда однородная смазочная среда переходит в воздушно-масляную суспензию, возникает расслоение потока. При этом происходит смешение и возни- кает турбулентность от внутреннего трения набегающих и истекающих граничных слоев, что приводит к повышению температуры смазки, и этот источник тепла во многом определяет тепловую напряженность подшипника. Процессы, протекающие в конфузорном зазоре подшипника скольжения, имеют как поло- жительные, так и отрицательные стороны. К положительным относится расклинивающее действие сжа- тых граничных слоев на поверхности, к отрицательным - возникновение касательных и нормальных со- ставляющих силы трения граничных слоев, что обусловливает возникновение турбулентных микротече- ний, приводящих к увеличению трения и интенсивному тепловыделению. Вторая упругодеформированная конфузорная область II, где упруго - сжатые ЭЖК слои смазки вместе с поверхностью движутся также в сужающийся зазор. Этот зазор возникает вследствие упругих деформаций, которые, в соответствии с законом Гука [2], с увеличением степени сжатия в направлении максимального контактного напряжения, рассчитываемого по Г. Герцу, фактическое расстояние между сжатыми поверхностями уменьшается и минимально под действием максимальных сил сжатия. В этой области также развивается положительный градиент давления, который приводит к возникновению вто- ричных контактно-упруго-гидродинамических и высокоскоростных течений направлении обратном на- бегающим граничным слоям. Этот процесс по мере приближения ЭЖК - слоев в зону с максимально на- груженными граничными слоями смазки по оси у (ру = σmax), где участки поверхностей практически па- раллельны h = hmin, то есть dh / dx ≈ 0 и градиент давлений в граничных слоях dP / dx ≈ 0, а абсолют- ное объемной давление уменьшается до величины атмосферного давления р0. Третья, переходная область III, с минимальным зазором, разделяющим конфузорную и диффу- зорную области, имеет малую протяженность, где поверхности вала и подшипника практически парал- лельны друг другу. Скорость скольжения, вязкость среды и осевая нагрузка полностью определяют ко- личество смазки, которая с движущейся поверхностью поступит в третью, диффузорную область под- шипника. Эта переходная область характеризуется минимальным зазором между поверхностями, кото- рый обусловливается степенью упругой деформации граничных слоев смазки под действием одноосного сжатия ру = σmax от внешней нагрузки N. Здесь происходит переход процесса деформации сжатия в де- формацию растяжения фрагментов граничных слоев. Граничные слои в области перехода имеют жид- кокристаллическую природу, так как они воспринимают высокие одноосные напряжения сжатия pу, рав- ные максимальным контактным напряжениям поверхностей σmax, а объемное давление в них соответст- вует давлению внешней среды. Относительное перемещение квазипараллельных высоконагруженных поверхностей в этой области характеризуется образованием общих для поверхностей полостей с фраг- ментами граничных слоев, оставшихся в результате выдавливания из них под высоким давлением ру = σmax частиц смазки из контакта в объем смазки. Часть максимально деформированных фрагментов граничных слоев переходной области, имеющих минимальное количество молекул смазки, адсорбиро- ванных на поверхности вала, вместе с поверхностью поступает в диффузорную область IV. Фрагменты смазки, находящиеся в общих для поверхностей полостях на границе с диффузорной областью IV, под- вергаются разрежению за счет релаксации ранее упругодеформированных сжатых вершин поверхностей, образующих контуры замкнутых полостей. При различных скоростях скольжения и нагрузках на границе переходной области III и диффузорной области IV всегда происходит нуклеация газовой фазы и/или за- рождаются ядра трибокавитации за счет высоких отрицательных градиентов давления, создаваемых ре- лаксацией, ранее деформированных сжатием, выступов поверхностей. Это подтверждается исследовани- ем кинетики формирования газовой полости в ДО трибоконтакта скольжения для модельной трибоси- стемы ШХ-15 – ТiО2, масло ИПМ-10, (рис. 8). В четвертую, упругодеформированную диффузорную область IV вместе с валом поступает ми- нимальное количество фрагментов смазки из области III. При этом контуры этой области полностью за- полнены ранее выдавленными молекулами смазки при первичном сжатии смоченных поверхностей. Эти контурные минимально нагруженные ЭЖК - слои играют роль уплотнительного материала с высоким сопротивлением срезу за счет их высокой тангенциальной прочности. Попадая в расширяющейся зазор, смазка оказывается в условиях всестороннего объёмного растяжения за счет уменьшения напряжений и релаксации ранее упругодеформированных ЭЖК-слоев и поверхностей. Понижение давления в ЭЖК слоях в упругодеформированной диффузорной области контакта приводит к дополнительному сжатию поверхностей и их взаимному притягиванию разреженными гра- ничными слоями среды. Интенсивное разрежение граничных слоев в диффузорной области вызывает нуклеацию газовой фазы из жидкокристаллической фазы ЭЖК - слоев. 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 77 Именно в этой IV - й области возникают самые неблагоприятные для поверхностей трения усло- вия квазисухого трения, вызванные интенсивным разрежением определенного внешней нагрузкой N ми- нимального количества вещества, поступившего из переходной области III: - при всестороннем растяжении смазки в диффузорном зазоре появляется дополнительная на- грузка под действием давления окружающей среды, т.е. дополнительное сжатие поверхностей. Это об- стоятельство следует учитывать, так как понижение давления в граничных слоях диффузорной области приводит к увеличению дополнительной нагрузки сжатия поверхностей до десятков и сотен МПа. Для модельной трибосистемы скольжения ([11], рис. 14) фторопласт – неориентированное оргстекло (модули упругости – 450 МПа и 2900 МПа соответственно, для модельного вала с радиусом R = 80 мм, длиной l = 9 мм, при осевой нагрузке N = 10 Н, и малой скорости скольжения 0,1 м/с) расчетные значения мак- симальных контактных напряжений составляют σmax =1,94 МПа на ширине контакта b = 1,84 мм. При этом следует учесть, что поверхности испытывают давление окружающей среды р0, которое в нормаль- ных атмосферных условиях принимаем 0,1 МПа. Приблизительная численная оценка степени разреже- ния ЭЖК - слоев в ДО показывает, что при таком малом максимальном напряжении поверхностей (σmax = 1,94 МПа) произойдет разрежение теоретически не растягиваемых граничных слоев до давления разрежения рр, которое определяется по предлагаемой формуле рр = р02 / (р0 + σmax), то есть до 0,005 МПа или 5 кПа. Учитывая, что длительность диффузорного процесса растяжения составляет по- рядка 2 мкс, нуклеация газовой фазы из смазочных слоев неизбежна, так как кипение минеральных масел в нормальных условиях наблюдается при значительно большем (50 … 90 кПа) давлении. Расчет степени разрежения при реальных нагрузках для контактных напряжениях 2000 МПа в стальных полированных поверхностях (ШХ-15) показывает, что при скорости скольжения 0,5 м/с возникает упругодеформиро- ванная площадка шириной 0,5 мм, а разрежение в граничных слоях дегазированного вакуумного масла ВМ-6 достигнет 5 · 10-6 МПа за 0,4 микросекунды; а б в г д Рис. 8 – Кинетика 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 – аннигиляция газовой полости после прекращения трения - при увеличении нагрузки и скорости скольжения модельной трибосистемы локальное давление в смазочном слое понижается до величины порога кавитации. Это явление наблюдается визуально (рис. 8) и следует рассматривать как трибокавитацию, принципиально отличающуюся от известных гид- равлической и акустической. Возникающие кавитирующие микропузырьки на поверхности раздела фаз "твердая подложка - жидкость" при схлопывании разрушают трущиеся поверхности по известному кави- тационно-эрозионному механизму [9]; - в этой области смазка представляет собой тонкие мультимолекулярные слои на поверхностях трения, разделенные газо-паровоздушной полостью разрежения, обусловливающего их физическую де- сорбцию. Газовая полость, образованная в диффузорной области контакта в широком диапазоне малых скоростей (до 0,1 м/с) и погонных нагрузок (до 1 Н/м), находится в динамическом равновесии (рис. 8). Внутренняя поверхность такой газовой каверны, перекатываясь по поверхности вала, достаточно устой- чива. С увеличением осевой нагрузки, ее объем возрастает, степень разрежения в ней увеличивается, что объясняется уменьшением минимальной толщины смазочного слоя в контакте, то есть уменьшением ко- 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 78 личества смазки, поступающей в диффузорную область разрежения. С увеличением скорости скольже- ния происходит также рост объема каверны и степени разрежения в ней, а при достижении некоторой критической скорости (в наших экспериментах ≈ 0,6 м/с) происходит отрыв микро пузырьков от каверны, трибокавитация и переход во времени исходно прозрачного однородного масла в маслогазовую суспензию. Важным выводом из полученных результатов является понижение степени разрежения гранич- ных слоев (вплоть до давления окружающей среды) в ДО контакта и, как следствие, повышение эффек- тивности трибосистем, а именно - уменьшение силы трения и температуры, достигаемое путем исполь- зования масловоздушной суспензии. Такая суспензия включает в себя достаточно долгоживущие (от не- скольких часов до 2-х недель) газовые пузырьки, диаметры которых составляют от десятков микромет- ров до нанометровых размеров. С использованием микроскопа ЛДФСМП (на просвет) фиксировали мик- ропузырьки размером от 100 нм, количество которых с уменьшением диаметра экспоненциально возрас- тало (рис. 1). Это объясняется тем, что в результате длительной диффузорной фрагментации граничных слоев путем их ударного разрежения в диффузорной области контакта, в объеме будут накапливаться ви- зуально невидимые нанопузырьки. За счет более низких (в тысячи раз), чем в жидкостях значений коэф- фициентов сжатия и растяжения наличие таких нанопузырьков в смазочной среде предотвращает воз- никновение высокого разрежения граничных слоев и, таким образом, - устраняет условия квазисухого трения [12]. Приведенные факторы, характеризующие процессы, протекающие в диффузорной области IV трибоконтакта (дополнительная нагрузка от разрежения в граничных слоях, десорбция граничных слоев и трибокавитация смазки) в совокупности создают все предпосылки для адгезионного взаимодей- ствия практически сухих поверхностей, которые испытывают дополнительную нагрузку от разрежения граничных слоев. Таким образом, динамические процессы, протекающие в граничных слоях диффузор- ной области подшипника скольжения, определяют его работоспособность и долговечность. Пятая область V также диффузорная, которая характеризуется отсутствием упругих деформа- ций поверхностей от внешней нагрузки. В ней также протекают процессы разрежения, которые во мно- гом определяют количество смазки, поступающей из области IV с разреженной смазкой. В недеформи- рованной диффузорной области V за счет процесса разрежения ЭЖК - слоев, смазка всасывается из объ- ёма и под действием давления окружающей среды подается в зону кромки диффузорной области упруго- го контакта. Область V также характеризуется возникновением газовых каверн, пузырьков, сопровож- дающегося их ростом и аннигиляцией, а также течениями микроструек смазки из зазора в контакт. Шестая область VI, как и III-я, также переходная, но характеризуется максимальным зазором между поверхностями скольжения. В этой области происходит циркуляция граничных слоев: их перете- кание из конфузорной в диффузорную область под действием избыточного давления в КО и разрежения в ДО, что, в свою очередь, приводит к уменьшению количества смазочной среды в конфузорной части контакта, а также поступление граничных слоев с поверхностью вала из ДО в КО. Эти процессы цирку- ляции визуально наблюдаются в модельных трибосистемах с оптическими каналами съема информации. Таким образом, с точки зрения ДПГС адгезионное изнашивание поверхностей локализуется в упругодеформированной диффузорной области трибоконтакта, что вызвано естественным быстропроте- кающим (микросекунды) разрежением граничных слоев. Значительную роль в этом процессе играют об- ласти бесконтактного трения, влияющие на тепломассоперенос граничных слоев в упругодеформирован- ных областях. 3.1.4. АГД модель трения в условиях граничной смазки С учетом приведенных в настоящей работе результатов и обобщения предыдущих исследований [10 - 12, 14] предлагается следующая адгезионно-гидродинамическая (АГД) модель трения радиального подшипника скольжения (рис. 9). Процесс трения радиального подшипника скольжения рассматривается дифференцированно в каждой из характерных областей: в бесконтактных – I, V, VI при отсутствии упругой деформации гра- ничных поверхностей и в контактных областях – II, III, IV. В соответствии с этим выделяется две ДО, две КО и две ПО (рис. 9). Трибологическое поведение подшипника скольжения определяется упругодефор- мированными областями, в которых происходит изнашивание и возникает максимальное сопротивление движению вала. Бесконтактные области, влияющие на тепломассоперенос смазки в упругодеформиро- ванную диффузорную область (ДО) также вносит существенный вклад в трибологическое поведение контакта, что определяет необходимость их учета при оценке работоспособности трибосистемы. В исходно двухфазных граничных слоях с растворенной газовой компонентой возникают гидро- динамические процессы турбулентности и кавитации в конфузорной и диффузорной областях контакта соответственно, а также вторичные течения в направлении, обратном скольжению. При этом в ДО по- средством термомассопереноса и упругой микродеформации рабочих поверхностей поступает ограни- ченное количество смазки. Эти процессы взаимосвязаны с возникновением полярных градиентов давле- ния по обе стороны ПО: положительный – в КО, отрицательный – в ДО. 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 79 Рис. 9 – Адгезионно-гидродинамическая модель трения радиального подшипника скольжения Величина отрицательного давления в ДО определяется режимом трения, реологическими свой- ствами смазочной среды и степенью ее насыщения газовой компонентой. Наличие разрежения в ДО соз- дает условия квазисухого трения, локализующего адгезионное схватывание рабочих поверхностей в этой области, и соответственно – адгезионное изнашивание, сопровождающееся периодическим образованием и разрушением вторичных структур на рабочих поверхностях, как результат импульсного упруго- неупругого деформирования локальных микрообъемов. Образовавшиеся продукты адгезионного взаимо- действия рабочих поверхностей в ДО налипают на поверхность вала и вместе с ней поступают в КО, осуществляя микрорезание поверхности подшипника в КО и ПО. Увеличение в материале смазки содер- жания газовой составляющей, характеризующейся низкими значениями коэффициентов сжа- тия/растяжения, увеличивает давление в ДО, подавляя адгезионное схватывание. Это открывает новые нетрадиционные пути управления трибологическим поведением контакта в условиях граничной смазки. 3.2. Полуколичественная оценка основных параметров трибоконтакта При конструировании трибосистем основной акцент в расчетах трибоконтактов сделан на оценке условий и состояния смазочных слоев в диффузорной области контакта. На основе полученных экспери- ментальных данных [10, 12] и предлагаемой АГД модели, с использованием известных формул и законов Г.Герца, Гука, А.Зоммерфельда, О. Рейнольдса и Н.П.Петрова предлагается следующая последователь- ность в полуколичественной оценке параметров модельного трибоконтакта скольжения (рис. 10). Рис. 10 – Схема образования линейного контакта при упругой деформации поверхностей 1. Расчет ширины контакта b и максимальных контактных напряжений с учетом давления окру- жающей среды р0: 21 21 0max 2 418,0 EE EE Rl N р + ⋅ ⋅⋅+=σ и 21 2115,2 EE EE l RN b ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅= , (1) где maxσ и b – максимальное напряжение в поверхностях и ширина упругого контакта; 0p – давление масла в объеме; N – осевая нагрузка; 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 80 1E и 2E – модули упругости материалов вала и подшипника; R – приведенный радиус подшипника. 2. Определение диффузорной области контакта в соответствии с направлением трения. 3. Установление зависимости ( )xσ согласно уравнения Г. Герца полуэллиптического распреде- ления напряжений в поверхностях: ( ) max 2 1 σ      −=σ b x x . (2) Пример такой зависимости σГ(х) показан на рис. 11 совместно с микроструктурой рабочей по- верхности модельного подшипника скольжения. Показана локализация адгезионного взаимодействия ра- бочих поверхностей в области максимального разрежения граничных слоев Рmin = 0,005 МПа) и макси- мального напряжения maxσ = 2МПа, в которую соответственно смещается минимальная толщина сма- зочного слоя (рис. 11, h, ω > 0). 4. Решение квазистатической задачи деформирования граничных слоев модельной трибосисте- мы (рис. 11) в одном из выбранных направлений для определения максимальных значений нарастания напряжений в конфузорной области и максимальной релаксации, то есть разрежения – в диффузорной, на экстремальных зависимостях Р(х): bx ⋅±= 4 2 ; max2 2 )( σ⋅±=хР ; (3) 5. Определение максимального разрежения и напряжения дополнительной нагрузки maxσ , ω > 0, возникающей в диффузорной области контакта, путем суммирования зависимостей ( )xσ и ( )xP (рис. 11). а б Рис. 11 – Распределение контактных напряжений σ, давления в граничных слоях Р и толщины ЭЖК - слоёв h в упругом контакте АВ модельной трибосистемы скольжения с линейным контактом (а) и микроструктура рабочей поверхности модельного подшипника скольжения с локализацией адгезионного взаимодействия в ДО (б). АВ – протяженность упругого контакта. σг – расчетное напряжение по Г. Герцу и симметричная толщина граничного слоя модельной смазки h при частоте вращения ω = 0. Распределение давления в смазочном слое Р, приводящее к смещению контактных напряжений σmax в диффузорную область (ДО) и соответствующему смещению минимальной толщины h при сверхмалой скорости вращения ω > 0 6. Оценка вероятного состояния смазочной среды с учетом ее физико - химических свойств при заданной скорости υ трения. При малых (докритических) скоростях масло можно рассматривать, как двухкомпонентную однородную жидкость с определенной концентрацией растворенных в ней газов (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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 81 нормальных условиях ≈ 10 %), при "закритических" значениях (в наших экспериментах υ ≈ 0,6 м/с) – как масло - паровоздушную суспензию. 7. Оценка степени понижения давления в граничных слоях по формуле         σ⋅+= max0 2 0 2 2 ppp p , где р0 – давление окружающей среды или давление в маслосистеме, а также скорость разрежения, как отношение         σ⋅+= max0 2 0 2 2 ppp p ко времени нахождения по- верхности вала с фрагментами смазки в ДО: tДО = b / 2υ. 8. Изучение поведения граничных слоев выбранного смазочного материала путем лабораторного моделирования процесса быстрого разрежения с целью установления фактического порогового значения давления, при котором происходит полная десорбция граничных слоев на рабочих поверхностях трибо- системы. 9. Оценка минимальной толщины смазочного слоя minh в статических условиях нагружения, как обратной величины максимальных контактных напряжений maxσ с учетом шероховатости поверхностей Ra и свойств смазочной среды. Это значение в настоящее время определить достаточно сложно в силу практического отсутствия экспериментальных сведений о деформировании мульти- и мономолекуляр- ных слоев разнообразных технически применяемых смазочных материалов. Некоторые данные позволя- ют оценить порядковые величины minh , опубликованные в работе [2], и сведения о том, что в условиях двустороннего сжатия поверхностями граничные слои деформируются по закону Гука. 10. Выбор способов подавления процесса десорбции граничных слоев в ДО, если в граничных слоях смазки давление понижается до значения давления насыщенных паров исходной смазочной среды с учетом ее фазового состояния и внешнего давления. Другой путь полуколичественной оценки параметров модельного трибоконтакта скольжения со- стоит в использовании эмпирических формул распределения давления в граничных слоях на основе сле- дующей базовой функции: DВхС ВхА РР К ++ + += 20 )( )( , (4) где х – координата, А, В, С, К и D – постоянные, которые зависят от условий трения, геометрии контакта, физических свойств поверхностей, их шероховатости, физико - реологических свойств смазоч- ной среды, в том числе коэффициент сжимаемости фактической двухфазной масловоздушной суспензии; Р0 – давление окружающей среды, которое в нашем случае было атмосферным – 102 кПа. Фор- мула (4) является базовой для определения распределения давления Р по координате х и может быть перспективной для оценки степени разряжения граничных слоев в диффузорной области трибоконтакта на стадии его проектирования. Преимущество такого полуэмпирического подхода состоит в простоте формулы, что весьма важно для инженерных оценочных расчетов в различных конструкторских бюро. Состоятельность такого подхода подтверждается практически полным совпадением эксперимен- тальных данных с расчетными по формуле (4) (рис. 12). Экспериментальная зависимость Р(х) была по- лучена с использованием прибора трения АСБ-02М [11] в условиях: среда – ИПМ-10, модельный фторо- пластовый вал диаметром 80 мм, и длиной 9 мм, модельный плоский подшипник (оргстекло неориенти- рованное), частота вращения вала ω = 20 мин-1, линейная скорость скольжения вала υ = 0,09 м/с, Осевая нагрузка на контакт N = 0,4 Н, расчетные значения ширины контакта b = 0,145 мм и максимальных кон- тактных напряжений – maxσ = 0,389 МПа, рассчитанные по формуле Г. Герца (1), давление окружающей среды – 102 кПа (кРа). Приемное устройство давления имело ширину – 0,2 мм и длину – 6 мм, скорость сканирования – 0,002 мм/с, направление сканирования – обратное направлению скольжения. На рис. 12 представлено экспериментальное характерное распределение давления вдоль оси х (пунктирная линия I при скольжении модельного вала – 1 по плоскости 2), в абсолютных величинах. Объемное давление в граничных слоях в конфузорной области возрастает до 150 кРа, затем в переходной области ПО оно снижается до атмосферного, после чего, в диффузорной области происходит разрежение до 50 кПа и асимптотическое повышение давления до атмосферного давления 102 кПа. Экстраполяция данных по формуле (4) и подбор коэффициентов позволило получить расчетное распределение давления в трибоконтакте, показанное в виде сплошной линии II (рис. 12). Таким образом, для данной модельной трибосистемы при данных условиях наиболее близкой является следующая эмпи- рическая формула зависимости Р(х): 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 82 13 120 102 4 + += х х Р . (5) Формула (4) включает постоянные, которые отражают как условия эксперимента, так и свойства материалов. Высокая корреляция экспериментальных данных с рассчитанными по полуэмпирической формуле (5) указывает на перспективность использования такого подхода для различных трибосистем на базе функции (4). Рис. 12 – Экспериментальное I и расчетное II по формуле (5) распределение давления в граничных слоях при скольжении вала 1 по модельному плоскому подшипнику 2 3.3. Сравнительный анализ адгезионно - деформационной (АД), эластогидродинамической (ЭГД) и адгезионно - гидродинамической (АГД) моделей трения Современная трибология граничного трения базируется на двух признанных моделях: преиму- щественно экспериментальной - адгезионно - деформационной (АД) и преимущественно теоретической - эластогидродинамической (ЭГД). Согласно АД модели в процессе граничного трения смазочный слой рассматривается, как вто- ричная структура/"третье тело" в виде аморфной "стеклоподобной" субстанции, которая возникает под действием высоких контактных напряжений [1]. Его прочность подчиняется закону упругой деформации твердых тел Гука, а модуль упругости молекул масла соизмерим с таковым алмаза [2]. При этом адгези- онное изнашивание рабочих поверхностей происходит дискретно в пределах контурной площади трибо- контакта, что экспериментально не подтверждается [10]. Такой подход ограничивает способы борьбы с изнашиванием традиционными материаловедческими приемами - созданием новых составов смазок, конструкционных материалов, их покрытий, а также структурированием поверхностей. В рамках АГД модели экспериментально доказана локализация адгезионного взаимодействия в диффузорной области контакта [10] и влияние на него динамических процессов в граничных слоях, обусловливающих двух- фазное (жидкогазовое) состояние смазочной среды и степень разрежения в диффузорной области [10]. Это расширяет возможности подавления адгезионного взаимодействия путем создания новых двухфаз- ных смазочных материалов и конструктивных способов для их возникновения на начальном этапе рабо- ты трибоконтакта. На рис. 13, 14 представлены характерные признаки трибоконтакта с позиций ЭГД и АГД моде- лей, которые существенно отличаются. В рамках ЭГД модели (рис. 13) подвижная плоская поверхность реализует контакт с неподвижной поверхностью hx протяженностью [-аОа], в поверхностях которого в статике (без трения) возникают контактные напряжения рн.. При движении нижней плоской поверхности со скоростью V в граничном слое создаётся давление рх, которое отождествляется с контактными на- пряжениями. На эпюре контактных напряжений выделяют наличие пика Петрусевича в области выхода движущейся поверхности из контакта, где толщина смазочного слоя hmin минимальна. В рамках ЭГД модели трибосистема является безызносной при определенной и минимальной толщине смазочного слоя, которая определяется "контактными напряжениями", рассчитываемыми по Герцу, и давлением в слоях. Однако прямые экспериментальные измерения, как минимальной толщины смазочного слоя, так и давления в них отсутствуют. При этом считается, что давление в смазочных слоях при трении всегда выше атмосферного. Понятия "контактные напряжения", "давление в смазочном слое" и "давление на трущиеся поверхности" нуждаются в коррекции в соответствии с экспериментальными данными, положенными в основу АГД модели трения и трибокавитационного механизма изнашивания [14]. 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 83 ΣР Рис. 13 – Характерные признаки трибоконтакта с позиций ЭГД модели [5] Рис. 14 – Схема контактно-гидродинамических процессов с позиций АГД модели [14] Сравнение распределения давления в смазочном слое радиального подшипника с позиций ЭГД (рис.13) и АГД (рис.14) моделей указывает на целесообразность учета динамических процессов в гра- ничных слоях смазки, особенно в диффузорной области контакта, что является существенным дополне- нием известных схем при построении математических моделей. Принципиальное отличие состоит в том, что в рамках АГД модели диффузорная область трибоконтакта практически оказывается несмазанной при повышенных нагрузках от разрежения в граничных слоях, тогда как с позиций ЭГД модели давление во всех областях контакта больше давления окружающей среды. Установленные ранее экспериментальные закономерности [14] свидетельствуют о том, что в гра- ничных слоях трибоконтакта протекают значительно более сложные процессы, чем принятые в рамках АД и ЭГД моделей [1 - 5]. Как показали прямые измерения давления в смазочных слоях трибоконтакта [10 - 12], в них воз- никает характерное конфузорное сжатие и диффузорное разрежение, что легло в основу АГД модели трения, основные положения которой (табл. 3) не согласуются с ЭГД моделью. Экспериментально дока- зано [12], что при трении в смазочном слое относительно его минимального зазора самопроизвольно возникает сжатие смазочных слоев в конфузорной и их растяжение – в диффузорной областях трибокон- такта. Таким образом, давление в смазочном слое не тождественно поверхностным контактным напря- жениям, определяемым по Г.Герцу (рис. 14). Рис. 15 – Рабочие схемы распределения давления в граничных слоях радиального подшипника скольжения с позиции ЭГД [3 - 5] (а) и АГД (б) моделей [12, 14], где в КО жидкая фаза смазки (ЖФ) находится под избыточным давлением и ДО газовая фаза (ГФ) – в разреженном состоянии С позиций модели АГД модели [14] при движении нижней плоской поверхности со скоростью υ (рис. 14) в конфузорной области кроме набегающего потока граничных слоев возникают вторичные, об- ратные движению течения смазочной среды (показано стрелками). В диффузорной, расширяющейся об- ласти, при определенных скоростях возникает маслопаровоздушная фаза смазки и вторичные, обратные движению, течения из среды в контакт. Это происходит в соответствии с экспериментальной закономер- ностью распределения давления в смазочном слое Рм, которое в конфузорной области выше, а в диффу- зорной ниже давления окружающей среды. При этом реактивные давления, возникающие на поверхно- сти неподвижного криволинейного трибоэлемента ΣР , представляют собой сумму герцевских напряже- ний σг и давления в смазочном слое Рм, а "контактные напряжения" σк следует рассматривать, как разни- цу герцевских напряжений σг и давления в смазочном слое Рм и лишь в диффузорной области, где наи- более вероятно возникновение фактического контакта напряжения являются контактными. 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 84 Основным положением АГД модели является самопроизвольное возникновение относительно минимального зазора каждого элементарного трибоконтакта двух характерных областей [10 - 12]. В об- ласти уменьшения зазора по направлению скольжения/качения, т.е. в конфузорной, происходит повыше- ние давления в граничных слоях смазки и возникновение вторичного течения, противоположного на- правлению движения. В этой области при высоких скоростях трение происходит между набегающими с движущейся поверхностью слоями граничной смазки и слоями вторичного обратного течения, вызванно- го градиентом давлений в сужающейся зоне трибоконтакта, что является основным источником теплоты. В диффузорной области происходит разрежение граничных слоев и уменьшение давления в них относительно давления окружающей среды до значений, равных и меньших давления насыщенных паров смазочной среды. Здесь возникает вторичное течение, направленное из окружающей среды в контакт против движения вала также, как и в конфузорной области. При этом в диффузорных областях трибокон- тактов, особенно при высоких скоростях (0,1 - 10,0 м/с), происходит нарушение однородности смазочно- го слоя с образованием маслопаровоздушных полостей пузырьковой кавитации, которая характеризуется самопроизвольным возникновением пузырьков и их схлопыванием у поверхностей трения, что также приводит к их нагреву. Главным критерием реализации гидродинамического и эластогидродинамического режимов тре- ния считается минимальная толщина смазочного слоя, которая должна превышать сумму максимальных значений шероховатостей поверхностей. Однако, эта величина определялась не прямыми, а косвенными измерениями в динамике. Кроме того, отсутствовали прямые измерения распределения локального дав- ления по длине контакта в смазочных слоях, которые отождествлялись с контактными напряжениями, рассчитываемыми по Г.Герцу. Поэтому минимальную толщину смазочного слоя не следует рассматри- вать как единственный надежный критерий работоспособности трибосистем. Сравнение основных положений моделей ЭГД, АД и модель АГД приведены в табл. 3. Таблица 3 Сравнение основных положений ЭГД, АД и АГД моделей трения № п/п Положения ЭГД модели Положения АД модели Положения АГД модели 1 2 3 4 1 Работоспособность трибо- системы определяется толщиной смазочного слоя/количеством смазки, достаточным для обеспе- чения неразрывности сма- зочного слоя в контакте Работоспособность три- босистемы определяет- ся свойствами вторич- ной структуры / "третье- го тела" и количеством смазки в трибоконтакте, которые обуславливают адгезионное изнашивание рабочих поверхностей Работоспособность трибосистемы оп- ределяется степенью десорбции гра- ничных слоев в диффузорной области контакта, которая зависит от степени их разрежения и обуславливает квази- сухое адгезионно - деформационное взаимодействие рабочих поверхностей 2 Смазочный слой в трибо- контакте является одно- фазной ньютоновской жидкостью на протяжении всего контакта Смазочный слой в три- боконтакте является "третьим" телом в виде стеклоподобной суб- станции Смазочный слой в трибоконтакте не является однофазной ньютоновской средой, а представляет собой в конфу- зорной и переходной областях контак- та масловоздушную среду, а в диффу- зорной – газовую полость 3 Слой смазки в трибокон- такте практичес-ки парал- лельный рабочим поверх- ностям в его центральной части и сужается в районе выхода из него движу- щейся поверхности Геометрия смазочных слоев не рассматри- вается. Их прочность подчиняется закону уп- ругого деформиро- вания Гука, а модуль упругости молекул мас- ла соизмерим с таковым алмаза Смазочный слой трибоконтакта, обра- зованного криволинейными поверхно- стями при сжатии, не параллельный в его центральной части, а является аде- кватным отражением упругой дефор- мации граничных слоев и обратно пропорционален напряжениям Г.Герца по закону Гука 4 В процессе трения напря- жения в поверх-ностях трибоконтакта, рассчиты- ваемые по Г.Герцу, равны давлению в смазочном слое В процессе трения на- пряжения в поверх- ностях трибоконтакта, рассчитываемые по Г.Герцу, равны давле- нию в смазочном слое В процессе трения давление в смазоч- ном слое в конфузорной области кон- такта увеличивается, а в диффузорной – уменьшается относительно давления окружающей среды. Давление в сма- зочном слое не отождествляется с кон- тактными напряжениями 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 85 Продолжение таблицы 3 1 2 3 4 5 Контактные напряжения в рабочих поверхностях со- ответствуют расчетным значениям по Г.Герцу и отмечается наличие вто- рого максимума давления (так называемый пик Пет- русевича) Контактные напряже- ния в рабочих поверх- ностях соответствуют расчетным значениям по Г. Герцу "Контактные напряжения", "давление в смазочном слое" и "давление на тру- щиеся поверхности" являются разными параметрами, так как давление в сма- зочном слое не тождественно поверх- ностным контактным напряжениям, определяемым по Г. Герцу 6 Минимальная толщина слоя смазки в трибокон- такте считается опреде- ляющим критерием его работоспособности и на- ходится в диапазоне 0,1 - 1 мкм при герцевском давлении 1 ГПа, а время прохождения смазки через контакт составляет 10-3 - 10-5с Минимальная толщина слоя смазки в трибо- контакте не является определяющим крите- рием его работоспо- собности Минимальная толщина слоя смазки в трибоконтакте является одним из фак- торов динамических процессов в гра- ничных слоях (но не определяющим), влияющим на его работоспособность 7 Сила трения имеет гидро- динамическую природу (коэффициент трения не более 0,001), обеспечивая теоретически безызносное трение Сила трения определя- ется адгезионным (99%) и деформационным (1%) взаимодействием рабочих поверхностей, обуславливающим износ Сила трения включает в себя гидроме- ханическую, гидродинамическую и ад- гезионно - деформационную состав- ляющие, определяющие интен- сивность адгезионного изнашивания 8 Граничные слои характе- ризуются объемными свойствами смазки, вклю- чающими кавитационный эффект Граничные слои рас- сматриваются как жид- кокристаллическая три- бохимически активная среда, без учета гидро- динамических эффектов Граничные слои рассматривается, как многофазная газо-жидкокристалли- ческая трибохимически активная среда с многослойной структурой, в которой при трении возникают турбулентность в КО и трибокавитация в ДО Сравнение основных положений известных АД и ЭГД моделей трения в условиях граничной смазки указывает на существенные противоречия в представлениях о физике процессов, протекающих в граничных слоях трибоконтакта, и подтверждает состоятельность разработанной АГД модели, в значи- тельной мере устраняющей эти противоречия. 3.4. Новые методы управления работоспособностью трибосистем и их апробация в условиях лабораторно - стендовых и натурных (летных) испытаний Исходя из АГД модели трения с позиции динамических процессов в граничных слоях (ДПГС), наряду с известными методами повышения эффективности трибосистем, предлагается управление их ра- ботоспособностью путем понижения степени разрежения в граничных слоях смазки в диффузорных об- ластях трибоконтактов соответствующими приемами. Приведенные в табл. 4 предлагаемые подходы по- вышения работоспособности трибосистем, также как и традиционные, прошли широкую лабораторную апробацию [15], а некоторые из них реализованы в авиационном двигателестроении, в частности, на дви- гателях ТВ-3-117ВМА СБМ-1 самолета Ан-140. Известный подход создания на поверхностях трения различных микрогеометрических канавок повышает работоспособность узлов трения. Однако механизм такого эффекта связывают с улучшением смазывания контакта. С нашей точки зрения наличие таких канавок, несомненно, приведет к уменьше- нию протяженности диффузорной области путем создания множества линейных контактов малой длины. Это позволяет торцевым перетеканием понизить степень разрежения в диффузорных микрообластях трибоконтакта. Геометрический профиль, рисунок в плане (винтовой, двойной и пр.) и частота таких ка- навок во многом зависят от свойств смазочной среды и условий нагружения. Проектирование микрогео- метрии трущихся поверхностей с заданными параметрами на основе АГД модели является перспектив- ным способом понижения разрежения в диффузорных областях трибоконтактов, который можно будет использовать под конкретные узлы трения. 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 86 Таблица 4 Методы повышения работоспособности трибосистем Традиционные методы Предлагаемые материаловед- ческий реологический конструкторско- технологический реологический Создание анти- фрикционных конструкцион- ных материалов Улучшение свойств базо- вых мине- ральных и синтетичских масел Создание трибосистем с под- вижными контактами в преде- лах контурной площади Создание эффективных двухфаз- ных масло-паровоздушных сма- зочных смесей при запуске три- босистем конструкторско- технологическими методами Создание струк- турированных конструкцион- ных пористых материалов Применение эффективных многофунк- циональных присадок Наноструктурирование рабо- чих поверхностей "каналами перепуска" граничных слоев из КО в ДО с определенными геометрией, шагом и направ- ленностью Разработка двухфазных масло- паровоздушных смазочных мате- риалов путем насыщения базовых масел и смазок газами (азот, ар- гон, смеси и др.) Создание трибосистем с подвижным фактическим контактом в пределах контурной площади по- казал свою эффективность на лабораторных трибосистемах скольжения (прибор трения АСК-01), что подробно описано в работе [14]. При создании двигателя ТВ-3-117ВМА-СБМ1 на стадии стендовых испытаний оказалось, что ресурс винтового редуктора, смазка которого производилась традиционно через отверстия в сателлитах непосредственно на дорожку качения (рис. 15) недопустимо мал. Стендовая и летная апробация метода повышения работоспособности главных редукторов двигателей ТВ-3-117ВМА-СБМ-1 путем организа- ции их смазки двухфазной масло-паровоздушной суспензией масла ИПМ-10 позволила повысить их ре- сурс более чем в 7 раз. Рис. 15 – Главный редуктор ГТД ТВ3-117ВМА-СБМ1: а – ранее применявшая конструкция; б – внедренный вариант подшипника сателлита На стадии разработки двигателя ТВ-3-117ВМА СБМ1 на стенде испытывались ведущие редук- торы с различными зазорами роликовых подшипников сателлитов переднего редуктора с установленным на выходном валу воздушным винтом. При прочих равных условиях режимов работы двигателя и кру- тящего момента на валу винта испытывались три типа двигателей по три изделия каждого типа: 1-й тип – двигатели ТВ3-117ВМА-СБМ1 с зазорами 0,015 - 0,035 мм с подачей масла ИПМ-10 на дорожки качения с расходом 1,2 л/мин; 2-й тип – то же, но с зазорами 0,005 - 0,025мм с подачей масла ИПМ-10 на дорожки качения с расходом 1,2 л/мин и 3-й тип – то же, но с подачей масла через отверстия, которые вынесены Отверстия подвода масла на беговой дорожке Подвод масла из- под колец 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 87 за беговые дорожки качения роликов, а масло подавалось через зазор распорной втулки на торцы роли- ков и сепаратора с тем же расходом - 1,2 л/мин. Результаты испытаний подтверждаются соответствующим актом внедрения ГП "Ивченко- ПРОГРЕСС" и НАУ, который отражает следующие результаты: 1. Испытания группы двигателей с передним редуктором 1-го типа показали, что трение качения роликов реализуется в трети необходимого расчетного сектора качения, то есть две трети пути качения за один оборот ролики находились вне контакта с осями сателлитов и тормозились смазочной средой, подаваемой на беговую дорожку, что приводило к их ускоренному проскальзыванию в области входа в контакт с беговыми дорожками осей и сателлитов. После испытаний на беговых дорожках осей сателли- тов были выявлены дефекты, классифицированные, как "усталостное выкрашивание". 2. Испытания группы двигателей с передним редуктором 2-го типа показали, что трение качения реализуется в двух третях пути качения роликов, то есть в достаточном секторе качения сателлита редук- тора. Таким образом, лишь треть пути качения роликов за один оборот находилось вне контакта с осями сателлитов, что соответствует норме из-за сохранившегося тормозящего воздействия смазочного средст- ва. После испытаний на беговых дорожках были выявлены дефекты, классифицированные как "устало- стное выкрашивание", на протяжении всей длины контактного трения. Средняя наработка до возникно- вения дефектов, которые свидетельствовали о необходимости замены редуктора, составила 415 часов. 3. Испытания группы двигателей с передним редуктором 3-го типа показали, что трение качения роликов реализуется в двух третях окружности качения, что необходимо и достаточно для нормальной работы сателлитов в соответствии с расчетным значениям. После испытаний на беговых дорожках при- знаков возникновения дефектов, классифицирующихся как "усталостное выкрашивание", обнаружено не было. 4. Эксплуатация восьми двигателей с конструкторскими доработками по организации смазки масло-паровоздушной смесью, или масляным туманом, показали, что при суммарной наработке более 5000 моточасов признаки выкрашивания осей сателлитов передних редукторов двигателей ТВ3- 117ВМА-СБМ1 отсутствовали. До внедрения нового способа смазки межремонтный ресурс передних ре- дукторов с традиционной подачей смазки на беговые дорожки роликовых подшипников (аналогично ре- дукторам двигателей АИ-20 и АИ-25) составлял 415 часов. Внедрение нового способа смазки трибоузлов редукторов масло-паровоздушной суспензией с соответствующей конструкторской доработкой позволи- ло повысить срок безремонтной эксплуатации передних редукторов двигателей ТВ3-117ВМА-СБМ1 в среднем до 3250 часов (по состоянию на 1 марта 2012 г.), т.е. более чем в 7 раз. При этом признаки вы- крашивания осей сателлитов не обнаруживались. Летная эксплуатация этих двигателей продолжается. Таким образом, метод повышения работоспособности трибосистем путем их смазки двухфазной маслогазовоздушной суспензией показал свою эффективность и в настоящее время внедрен на маршевых двигателях ТВ3-117ВМА-СБМ1 самолётов Ан-140. Выводы На базе комплексных исследований физических и гидродинамических процессов, протекающих в характерных областях трибоконтакта подшипников скольжения с линейным и радиальным контактом, разработана физическая адгезионно-гидродинамическая (АГД) модель трения, в значительной мере уст- раняющая существующие противоречия между современными адгизионно-деформационным (АД) и эла- стогидродинамическим (АГД) подходами к рассмотрению природы трения с граничными слоями. Ис- пользование АГД модели позволяет значительно расширить возможности эффективного управления ра- ботоспособностью трибосистем с граничным трением. Основные положения АГД модели трения сводятся к следующему: - смазочный слой в трибоконтакте не является однофазной ньютоновской средой, а представляет собой в конфузорной и переходной областях контакта масловоздушную среду, а в диффузорной – газо- вую полость; - граничные слои представляют слоистую структуру с растворенными в них газами, которая со- держит внутренний газовый подслой на границе с поверхностью металла. При трении скольжения с по- стоянной скоростью с повышением осевой нагрузки увеличиваются как размер газовых полостей, так и степень разрежения в диффузорной области (ДО), что свидетельствует об увеличении концентрации газа в граничных слоях; - в процессе трения давление в смазочном слое в конфузорной области контакта увеличивается, а в диффузорной – уменьшается относительно давления окружающей среды. Давление в смазочном слое не отождествляется с контактными напряжениями; - граничный слой рассматривается, как многофазная газо-жидко-кристаллическая трибохимиче- ски активная среда с многослойной структурой, в которой при трении возникают турбулентность в КО и трибокавитация в ДО; - исследованием кинетики формирования газовой полости установлено, что на границе упруго- деформированных ПО и ДО всегда происходит нуклеация газовой фазы и зарождение ядра трибокавита- 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 IV. Физическая адгезионно - гидродинамическая ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 88 ции за счет высоких отрицательных градиентов давления, создаваемых релаксацией выступов поверхно- стей, ранее деформированных сжатием. Это инициирует адгезионное взаимодействие в ДО контакта; - взаимосвязанные процессы деформации, тепломассопереноса, образования масловоздушной среды в объеме смазки и взаимодействия поверхностей в комплексе обуславливают локализацию в ДО адгезионного изнашивания рабочих поверхностей с последующим их микрорезанием в КО продуктами адгезионного взаимодействия, переносимыми из ДО в КО вместе с валом. - в радиальных подшипниках скольжения в зависимости от изменения величины зазора h отно- сительно линии центров вала и подшипника в радиальном направлении dh / dx, существует шесть об- ластей, принципиально отличающихся распределением градиентов давления dp / dx и контактных на- пряжений σ в граничных слоях смазки. Две КО (dp / dx > 0, dh / dx< 0): бесконтактная (σ ≅ 0) и уп- ругодеформированная (σ > 0); две ПО (dp / dx ≅ 0): с минимальным (σ = σmax) и максимальным (σ = 0) зазором; две ДО (dp / dx < 0): упругодеформированная (σ > 0) и бесконтактная (σ = 0). До- минирующий вклад в трение вносят упругодеформированные конфузорная, переходная и диффузорная области контакта; - в соответствии с АГД моделью предложена методика оценки основных параметров трибокон- такта, в том числе распределение напряжений в линейном контакте и давления в граничных слоях смазки; - разработаны патентно-подтвержденные эффективные способы повышения работоспособности трибосистем с граничными слоями с использованием новых конструкторско - технологических и реоло- гических приемов, апробированных в реальных условиях эксплуатации, в частности, на маршевых дви- гателях ТВ3-117ВМА-СБМ1 самолетов АН-140. Эти способы включают создание трибосистем с под- вижными контактами, наноструктурирование поверхностей и использование маслопаровоздушных сме- сей, образующихся как на стадии запуска, так и путем насыщения базовых смазок газами. Автор выражает глубокую благодарность профессору Подчерняевой Ирине Александровне за участие в обсуждении результатов Литература 1. Крагельский И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. – М. : Машиностроение, 1977. – 526 с. 2. Ахматов А. С. Молекулярная физика граничного трения / А. С. Ахматов. – М. : Физматгиз, 1963. – 472 с. 3. Петрусевич А.И. Зубчатые передачи. Справочник по деталям машин / А.И.Петрусевич. – М.: Машиностроение, 1969. – Т. Ш. С. 15-156; 209 – 216. 4. Коднир Д. С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин / Д. С. Коднир. – М. : Маши- ностроение, 1976. – 304 с. 5. Дмитриченко Н.Ф. Эластогидродинамика / Н.Ф.Дмитриченко. –Львов: Изд-во Национального университета «Львовская политехника», 2000. – 224 с. 6. Elrod H.G., 1981 “A Cavitation Algorithm,” ASME J-l of Lubr. Technol., Vol. 103, pp. 350-354. 7. Алтоиз Б.А., Кириян С.В., Шатагина Е.А. // Журн. техн. физики, 2010. – Т.80, вып.10. – С. 37 8. www. elementy.ru/news/430259. 9. Прейс Г.А. Повышение износостойкости оборудования пищевой промышленности / Г.А. Прейс, Н.А. Сологуб, А.И. Некоз – М.: Машиностроение, 1979. – 208 с. 10. Стельмах А.У. Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение І. Закономерности процесса изнашивания при трении в условиях граничной смазки / Про- блеми трибології. – Хмельницький: ХНУ. – 2012. –№1. – C. 106–112. 11. Стельмах А.У. Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение ІІ. Новые приборы и методы исследования граничных слоев трибосистем / Проблеми трибо- логії. – Хмельницький: ХНУ. – 2012. –№2. – C. 96–107. 12. Стельмах А.У. Адгезионно-деформационные и динамические процессы в граничных слоях. Сообщение 3. Взаимосвязь динамических процессов в граничных слоях (ДПГС) радиального подшипни- ка скольжения с их физико-механическими, теплофизическими свойствами и механизм возникновения вторичных течений //Проблеми трибології. – Хмельницький: ХНУ.–2012. - №3. – С.63-74. 13. Pinkus, O., 1990, «Thermal Aspects of Fluid Film Tribology,» ASME Press, N.York, pp. 317-326. 14. Компресійно-вакуумна складова сили тертя в умовах граничного змащування / О.У. Стель- мах // Вісн. Нац. авіац. ун-ту. – 2008. — N 4. – С. 74-81. – Бібліогр.: 14 назв. – укp. 15. Кравченко И.Ф., Ананьев В.Г., Колесник П.А., Единович А.Б., Аксенов А.Ф., Стельмах А.У. Физическая механика гетерофазной смазки редукторов ГТД // Наукові нотатки. – Луцьк: ЛНТУ. – 2011. – №34. – С.141 – 144. 16. Запорожец В.В. Диагностика узлов трения авиационной техники / В.В.Запорожец, В.А.Бердинских. – К.: КИИГА, 1987. – 164 с. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com