2_Gorenko.doc Про можливість формування заданого профілю контактних поверхонь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 13 Горенко М.В. Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна ПРО МОЖЛИВІСТЬ ФОРМУВАННЯ ЗАДАНОГО ПРОФІЛЮ КОНТАКТНИХ ПОВЕРХОНЬ Аналіз проблеми Одним із основних чинників ефективності трибосистеми є шорсткість контактуючих поверх- нонь тертя, яка в значній мірі обумовлює статичні та динамічні параметри трибосистеми. При взаємодії поверхонь тертя на контакті концентруються зони підвищених навантажень, що обумовлює протікання там складних процесів взаємодії. Поверхня характеризується показником шорсткості, яка визначає фактичну площу опорних по- верхонь. На механічні властивості, крім рівня шорсткості, впливає направлення і геометрія виступів та впадин шорсткості поверхонь, особливо кути нахилу взаємодіючих вершин відносно напряму руху пло- щини поверхні, що в стандартизованих показниках шорсткості не враховується, бо для вимірювання та- ких параметрів покищо не існує надійних способів. Завдяки шорсткості взаємодія поверхонь утворює розгалуджену систему каналів, заглиблень і контактів вершин [1 - 4]. По каналам під дією капілярних і зовнішніх сил тиску, які діють на поверхні, а також в результаті взаємного переміщення поверхонь пере- міщуються і змащувальні речовини. В каналах і об`ємах виникає градієнт опору як результат різниці гра- дієнтів швидкостей переміщення речовин, що циркулюють. Системи каналів характеризуються складною геометрією перерізу і різною площею перерізів по напрямах циркуляції, що при переміщенні поверхонь відтворює перистальтичний ефект, який сприяє або заважає переміщенню, приводить до перемішування і турбуленізації речовин змащування. До цих фак- торів переміщення речовини змащування додається ще й ефект взаємних коливальних переміщень кон- тактуючих поверхонь, які є результатом взаємодії різновисотних ділянок шорсткості по зоні контакту. Тобто взаємний коливальний процес на контакті описується швидкістю зміни локалізації взаємодіючих елементів шорсткості за проміжок часу з врахуванням зміни взаємодії локалізацій контактної зони по ви- соті її виступів. Загалом середня зміна висоти (h) у локалізації для множини вершин (n) на поверхні має вигляд: hзони локалізації = (h1 + h2 + …. + hn) / n. Отже, зони локалізації виступів шорсткості на контакті утворюють складні системи тривімірних коливань, які в свою чергу впливають на наступний енергообмін в системі. Середня зміна висоти в одній площині для 2-х контактуючих поверхонь (h1n, h2n): hконтактної зони локалізації = ((h21 - h11) + (h22 - h12) + …. + (h2n - h1n) ) / n. Тому на поверхні з великою кількістю різновисотних контактних ділянок, коливальні процеси носять несистематизований характер і змінюються на всьому шляху контактування поверхонь по амплі- туді і довжині, що збільшує енерговтрати у системі. Неконтрольовані хаотичні коливальні процеси ви- кликають передчасний знос і вихід вузла тертя з ладу. До цих чинників додається фактор впливу опору, який виникає при переміщенні змащувальної речовини по каналам. Цей фактор обумовлюється зміною векторів і швидкостей взаємного переміщення речовин по каналам. що в цілому утворює складний про- цес розподілу взаємодіючих потоків по поверхні контакту. Всі ці фактори негативно впливають на ефек- тивність і економічність контактних систем. Щоб звести до мінімуму негативні чинники, які виникають в зоні контакту, необхідно оптимізу- вати структуру контактуючих поверхонь. Існуючі способи підвищення протизносних характеристик вузлів тертя і забезпечення їх функці- онування в заданому діапазоні навантажень зводяться до підбору класу точності обробки поверхонь [1], та підбору відповідних матеріалів. Це забезпечує наявність каналів і резервуарів на поверхні для утри- мання на ній змащувальних матеріалів. Для обробки матеріалів використовується свердлувальне, токар- не, фрезерне, шліфувальне, електроерозійне обладнання. У кожного з цих видів обробки стандартні сту- пені свободи оброблюючого інструменту, що обумовлює як результат стандартні види шорсткості без контролю геометрії схилів вершин, та інших структуризацій і без врахування напряму переміщення зма- щувальних матеріалів або матеріалів зношування по поверхні в місці контакту [5]. Невраховування взаємної орієнтації векторів руху середовища по поверхні на взаємодіючих площинах, обумовленої геометрією схилів каналів та об’ємів, і зміни цих векторів і їх розподілу по кон- тактних поверхнях приводить до енергетичних втрат в системі, і, як результат, виділення цієї енергії на контакті, зокрема у вигляді теплового і інших видів випромінювання, що веде до локального перегріву. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Про можливість формування заданого профілю контактних поверхонь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 14 Шляхи вирішення проблеми Щоб зменшити ці втрати і пропонується метод формування поверхневих структур з врахуванням розподілу векторів переміщення змащувальних речовин по каналам і об`ємам. Варіанти моделей поверх- невих структур (рис. 1). Рис. 1 – Варіанти моделей поверхневих структур з врахуванням розподілу векторів переміщення змащувальних речовин по каналам і об`ємам та площ контактних ділянок поверхні PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Про можливість формування заданого профілю контактних поверхонь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 15 Метод полягає в узгодженні попередньо розрахованої оптимальної нано-, мікро- і макрострук- тури шорсткості та інших видів макроструктури поверхні з контрольованими їх геометричними параме- трами та наступному відтворенні їх на поверхні за допомогою механічної, лазерної або електроєрозійної обробки з дискретністю, кратною класу необхідної шорсткості в поєднанні макро-, мікро-, нанорозмірно- сті (рис. 2). Рис. 2 – Поверхні, створені і відтворені методом узгодження попередньо розрахованої оптимальної нано-, мікро- і макроструктури шорсткості поверхні з контрольованими іх геометричними параметрами При таких умовах структуризація настільки змінює рельєф поверхні, що первинні параметри шорсткості перестають негативно впливати на процеси енергообміну. Для реалізації цього методу було створено прилад з трьома і опційно шістю ступенями свободи з контрольованою середньою роздільною здатністю 0,001 мм з можливістю розміщення оброблюючого ін- струменту на супорті. Система в залежності від виду формування заданої структури поверхні може вико- ристовувати лазерну систему стабілізацій, що забезпечує максимальну відтворюваність і точність пози- ціювання. Прилад має загальний вигляд (рис. 3). Рис. 3 – Загальний вигляд приладу для моделювання поверхні До складу приладу входить лазерна скануюча слідкуюча система оброблюваної поверхні. На приладі можна використовувати лазерну скануючу слідкувальну систему оброблюваної поверхні точеч- ного, лінійного та матричного типу, в залежності від виду мікрогеометрії поверхні. За допомогою скану- ючої системи робиться математична модель поверхні, по якій і проводиться обробка з врахуванням мік- ро- і макрогеометрії деталі. До складу пристрою також входить розрахунковий модуль на базі ЕОМ. Скануюча система дозволяє будувати 3-х вимірну модель оброблюваної поверхні з заданою дискретніс- тю. При заміні робочого оброблюючого інструменту силомоментною насадкою для вимірювання зносу і визначення сили тертя даний прилад функціонує як трибологічний вимірюючий стенд, знімаючи параме- три поверхні (топографію) та сили, виникаючі при терті, причому вектор орієнтації взаємного перемі- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Про можливість формування заданого профілю контактних поверхонь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 16 щення зразок – контрзразок можна задавати довільно в трьохкоординатному просторі (як по площині X, Y, так і в об`ємі X, Y, Z). Завдяки можливості роздільно керувати ступенями свободи даного приладу з`являється можливість моделювати різні режими роботи трибосистеми з врахуванням заданого напряму (вектору) руху поверхонь тертя, а також моделювати складні коливальні процеси, задаючи траєкторію переміщення зони контакту кривими другого і вищих порядків, а також задавати вектор і величину сили тертя по поверхням, що дозволяє отримувати дані, які характеризують трибосистему в різних умовах ро- боти, наближених до реальних. Швидкість створення структурованої поверхні залежить від особливостей математичної моделі поверхні (роздільної здатності), типу обробки і варіюється на даній модифікації приладу в діапазоні 0,059 mm3/с - 0,17 mm3/с (швидкість відтворення можливо контролювати). Висновки 1. Структуризація можлива на контактних поверхнях, що утворюють площинний, лінійний, то- чечний контакти. 2. Результати випробувань показали, що таким методом можливо зменшити тертя в 3 - 5 разів. За допомогою даного приладу створено поверхні, на яких на площинному контакті отримано меншу силу тертя в 1,5 - 2 рази, на лінійному – в 2 рази, на точечному - в 1,5 рази, але теоретично ці показники мож- ливо підвищити. 3. Така обробка можлива і в промисловому масштабі за рахунок модернізації приладу для моде- лювання поверхні, збільшення зони обробки та потужності і оптимізації процесу структуризації. Література 1. Гаркунов Д. Н. Триботехника. – М.: Машиностроение, 1989. – С. 21-24. 2. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. –М.: Машиностроение, 1986. – С. 40. 3. Зозуля В.Д., Шведков Е.А., Ровинский Д.Я., Браун Э.Д. под. ред. И.М.Федорченко Словарь- справочник по трению, износу и смазке деталей машин. – К.: Наукова думка, 1990. – 244 с. 4. Справочник по триботехнике. – М.: Машиностроение, 1989, под ред. М.Хебты и А.В.Чичинадзе. 5. ГОСТ 2789-73. Надійшла 17.01.2011 Ч И Т А Й Т Е журнал “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” во всемирной сети I N T E R N E T ! http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com