16_Milatinskiy.doc Метод испытаний на фреттинг - износ цилиндрических поверхностей сопрягаемых с зазором Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 94 Милятинский С.В., Кузьменко А.Г., Криворотько В.М., Николаев А.Н. Хмельницкий национальный университет, г. Хмельницкий, Украина МЕТОД ИСПЫТАНИЙ НА ФРЕТТИНГ - ИЗНОС ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СОПРЯГАЕМЫХ С ЗАЗОРОМ Введение и постановка задачи В эксплуатации подшипников качения наблюдается три основных вида изнашивания: 1) износ дорожек и тел качения; 2) износ посадочного места наружного кольца; 3) износ оси в контакте с внутренним кольцом подшипника качения. В данной работе рассматривается износ оси внутренним кольцом подшипника качения. Износ контактных поверхностей цилиндрических сопряжений при действии переменных ради- альных нагрузок является результатом процесса фреттинга. Фреттинг – это явление износа между двумя поверхностями, имеющими колебательное (возвратно-поступательное) взаимоперемещение (скольже- ние) малой амплитуды. Данные перемещения вызваны возникновением, под действием радиальной на- грузки на упругие детали сопряжения, касательных усилий τ , которые приводят к проскальзыванию по- верхностей контакта на определенных участках. Еще в 1949 году Миндлиным было сделано предполо- жение, что там где тангенциальное напряжение сдвига больше, чем произведение нормального давления на коэффициент трения, будет происходить проскальзывание [1]. То есть присутствие проскальзывания в контакте определяется условием: ( ) ( )ϕσ≥ϕτ f , где ϕ – угол контакта; f – коэффициент трения; σ – нормальное контактное давление. Даже когда нет макроскопических перемещений, могут иметь место микроперемещения опреде- ленных участков поверхности контакта сопряжения и явление предварительного смещения [2]. Контактная задача теории упругости для цилиндрических сопряжений с малым зазором для гладкой и шероховатой поверхностей в сопряжении при переменной радиальной нагрузке решена в ра- боте [3]. Авторами получены зависимости, позволяющие определить геометрические характеристики контакта, величины нормальных и касательных давлений и перемещения в сопряжении. Существует много работ и исследований явления фреттинга [1, 4, 5], влияния на повреждаемость при фреттинге различных факторов, природы материалов пары трения, условий работы. Однако прове- денных исследований не достаточно для полного понимания природы процесса и прогнозирования срока службы узла, работающего в условиях фреттинга. К тому же имеющиеся результаты часто противоречи- вы и не достаточно систематизированы, что затрудняет разработку методов по предупреждению или снижению проявления этого отрицательного явления. Существуют работы по прогнозированию разру- шения деталей данных сопряжений в результате фреттинг-усталости, но расчетных моделей для прогно- зирования фреттинг-износа сопряжений данного типа нет. При испытаниях на фреттинг-износ, усложне- но количественное определение процесса и определение интенсивности изнашивания на каждом участке процесса, так как, в отличии от обычного износа, здесь проще определить присутствует процесса износа или нет, чем определить количественно его величину. Методы расчетов износостойкости деталей машин, как говорится в работе [6], базируется на экспериментально-теоретических подходах. Расчетные уравнения должны строиться на синтезе теорети- ческих и экспериментальных исследований, описывающих природу процесса изнашивания. Для описа- ния процессов изнашивания используют математические формы закономерностей изнашивания. Моде- лирование процессов изнашивания деталей и узлов отличается высокой сложностью, но данное направ- ление исследования процессов изнашивания достаточно эффективно, поскольку позволяет исследовать их в динамике точными количественными соотношениями. Закономерность изнашивания устанавливается из экспериментальных исследований, которые апроксимируются определенными функциями. В преимущественном большинстве, экспериментальные закономерности подаются в виде зависимостей интенсивности изнашивания от определенных факторов (контактное давление, скорость скольжения, условия смазки, характеристики материалов пары трения, температура и др.). Основой для моделирования процессов изнашивания являются экспериментальные исследования, для проведения которых необходимо специальное оборудование. В данной работе описы- вается установка для модельных испытаний на фреттинг-износ цилиндрических сопряжений при дейст- вии радиальной пульсирующей нагрузки и методика определения параметров модели фреттинг-износа. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Метод испытаний на фреттинг - износ цилиндрических поверхностей сопрягаемых с зазором Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 95 Установка для модельных испытаний на фреттинг-износ цилиндрических сопряжений Установка для проведения экспериментальных исследований (рис. 1) разработана и изготовлена с целью проведения модельных испытаний на фреттинг-износ цилиндрических сопряжений при дейст- вии радиальной пульсирующей нагрузки определенной, заданной условиями эксперимента, величины и частоты. Приводом установки является электродвигатель 1 постоянного тока мощностью 500 Вт, закреп- ленный к раме 2 при помощи хомутов 3. Крутящий момент от двигателя передается на вал 8 при помощи клиноременной передачи 6. Промежуточный шкив 7 служит для регулирования натяга ремня, а также может быть использован для изменения передаточного отношения клиноременной передачи. Ведомый шкив 5 закреплен на валу 8 при помощи призматической шпонки 9. Вал 8 вращается в подшипниках 10, размещенных в крышках корпуса 11 установки. Каждая крышка 11 крепится к корпусу 12 тремя винта- ми 13. На валу 8 посажен по прессовой посадке эксцентрик 14, на который напрессован шарикоподшип- ник 15. При вращении вала 8 эксцентрик 14 через подшипник 15 перемещает шток 16 вдоль его оси на величину эксцентриситета. Нагрузочная пружина 25 одним коном упирается в тарелку штока 16, кото- рый имеет форму похожую на клапан, а вторым концом – в торцевую часть цилиндра 17. При перемеще- нии штока 16 вверх пружина 25 сжимается и через цилиндр 17 задает определенную, зависящую от же- сткости пружины и величины эксцентриситета, радиальную нагрузку на ось 18, посаженную во внутрен- нее кольцо подшипника 19. Наружное кольцо подшипника 19 упирается в упорную плиту 20. Рис. 1 – Установка для модельных испытаний на фреттинг-износ цилиндрических сопряжений: 1 – электродвигатель постоянного тока; 2 – рама; 3 – хомут; 4 – ведущий шкив; 5 – ведомый шкив; 6 – клиновый ремень; 7 – промежуточный шкив; 8 – вал; 9 – шпонка; 10 – подшипник крышки; 11 – крышка; 12 – корпус; 13 – винт; 14 – эксцентрик; 15 – подшипник эксцентрика; 16 – шток; 17 – цилиндр; 18 – испытываемый образец (ось); 19 – подшипник оси; 20 – упорная плита; 21 – гайка; 22 – направляющая цилиндра; 23 – шпилька; 24 – распорная пластина; 25 – нагружающая пружина Рис. 2 – Рабочая часть установки с экспериментальными образцами На рис. 3 приведена электрическая схема подключения установки. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Метод испытаний на фреттинг - износ цилиндрических поверхностей сопрягаемых с зазором Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 96 Рис. 3 – Электрическая схема подключения установки: 1 – лабораторный автотрансформатор (латр); 2 – диодный мост (выпрямитель); 3 – вольтметр постоянного тока; 4 – амперметр постоянного тока; 5 – электродвигатель постоянного тока Методика проведения эксперимента и определения параметров модели износа Если рассмотреть контактное взаимодействие цилиндра и плоскости (рис.4) при действии ради- альной нагрузки Q , то с изменением нагрузки изменяется площадка контакта, ввиду упругих свойств материалов контактирующих тел, и возникают касательные усилия τ . В участках контакта, где τ боль- ше, чем произведение нормального давления на коэффициент трения, будут иметь место касательные перемещения (проскальзывание). Таким образом, несмотря на отсутствие макроперемещений, происхо- дят микроперемещения, следовательно, протекает процесс фреттинга и имеет место фреттинг-износ кон- тактных поверхностей. Рис. 4 – Схема контакта цилиндра с плоскостью при действии радиальной нагрузки Примем модель фреттинг-износа для цилиндрических сопряжений при действии радиальной на- грузки в виде: m w w k dN du σ= , (1) где wu – величина линейного износа; N – количество циклов контактного взаимодействия; wk , m – параметры модели износа. Необходимо из экспериментов определить параметры wk , m модели износа. Это можно сделать, проведя эксперименты при одинаковом количестве циклов и двух разных контактных давлениях 1σ , 2σ . Получаем: Nku mww 11 σ= ; (2) Nku mww 22 σ= . (3) Разделив (2) на (3) и сократив wk и N , имеем соотношение: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Метод испытаний на фреттинг - износ цилиндрических поверхностей сопрягаемых с зазором Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 97 m m w w u u 2 11 2 σ σ = . (4) Отсюда находим показатель степени m модели износа:       σ σ         = 2 1lg lg 2 1 w w u u m . (5) Из (2) определяем коэффициент wk : N u k m w w 1 1 σ = . (6) Значение контактных давлений зависит от радиальной нагрузки на сопряжение, которая в уста- новке изменяется заменой пружины 25 (рис.1). Рассчитать контактные давления можно используя мето- дику, приведенную в [3]. Для проведения экспериментов изготавливаются и подбираются испытуемая ось 18 и подшип- ник 19 (рис.1) с необходимыми, исследуемыми характеристиками (материал, твердость, наличие защит- ного покрытия и т.п.). На контактной поверхности образцов индентором (сферой или конусом) делаются отпечатки. Отпечатки наносятся при помощи прибора для измерения на твердость или другим специаль- ным прибором. Диаметр отпечатка должен быть небольшим. Выпуклость металла вокруг отпечатка, об- разованная при вдавливании индентора, перед первым измерением его диагонали шлифуется. Зная ра- диус сферы или угол при вершине конуса, вычисляется глубина отпечатка. Разница величины глубины отпечатка до и после эксперимента является величиной линейного износа. Проводятся эксперименты при двух разных контактных давлениях и получаются зависимости ( )σwu . Далее по (5) и (6) определяются параметры wk , m модели износа. Выводы 1. Разработана и изготовлена установка для модельных испытаний на фреттинг-износ внутрен- них цилиндрических сопряжений с зазором при действии радиальной пульсирующей нагрузки опреде- ленной, заданной условиями эксперимента, величины и частоты. 2. Предложен метод испытаний на фреттинг-износ по схеме внутреннего контакта цилиндров, сопрягаемых с зазором. 3. В соответствии с предложенным методом, по результатам испытаний определяются парамет- ры модели изнашивания. Литература 1. Уотерхауз Р.Б. Фреттинг коррозия / Р.Б.Уотерхауз. – Л.: Машиностроение. – 1976. – 272 с. 2. Stolarski T.A. Rolling contacts / T.A. Stolarski, S.Tobe. – London: Professional Engineering Publish- ing Limited. – 2000. – 446 p. 3. Кузьменко А.Г. Контактное взаимодействие с учетом износа внутреннего кольца подшипника качения и оси ступицы колеса транспортной машины. Сообщение 1. Взаимодействие элементов без учета износа / А.Г. Кузьменко, С.В. Милятинский // Проблеми трибології. – 2010. – № 4. – С. 105-116. 4. Шевеля В.В. Фреттинг-усталость металлов / В.В. Шевеля, Г.С. Калда. – Хмельницкий: Поділля, 1998. – 299 с. 5. Голего Н.Л. Фреттинг-коррозия металлов / Н.Л. Голего, А.Я. Алябьев, В.В. Шевеля. – К.: Техніка, 1974. – 270 с. 6. Когаев В.П. Прочность и износостойкость деталей машин / В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов.-М.: Высш. школа. – 1991. – 319 с. Надійшла 21.06.2001 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com