4_Krishtopa.doc Дослідження механізму поступлення газового середовища з зовні у міжконтактний простір поверхонь тертя. Частина 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 31 Криштопа Л.І., Богатчук І.М. Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, Україна Е-mail: L.I.Kryshtopa@mail.ru ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЗМУ ПОСТУПЛЕННЯ ГАЗОВОГО СЕРЕДОВИЩА З ЗОВНІ У МІЖКОНТАКТНИЙ ПРОСТІР ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ. ЧАСТИНА 1 УДК 621.891 Для моделювання математичної моделі механізму міграції оточуючого середовища на фрикційний контакт розглянуто: адсорбційний, перекачувальний, щілинний ефекти та процес розкладу фенолформальдегідного матеріа- лу під дією повітря та без його доступу. Ключові слова: міжконтактний простір, фрикційний контакт, поверхні тертя, адсорбція, адсорбат, адсорбент, перекачувальний ефект, щілинний ефект, фенолформальдегідні матеріали. Вступ Теоретичне обґрунтування механізму поступлення оточуючого середовища на фрикційний кон- такт намагались розглянути в роботі [1]. Припускається, що існує два механізми проникнення газового середовища на фрикційні поверхні: перший, через контактний зазор (так званий щілинний ефект) та дру- гий, шляхом адсорбування на відкритих для газу ділянках контакту тертя (адсорбційний ефект) – у випа- дку неповного перекриття пар тертя )1( <взК . Кількість повітря, що поступає на контакт, до складу якого входе кисень, визначає інтенсивність термоокисних, деструктивних та інших хемосорбційних про- цесах. У роботі [2] вказується на наявність ефекту перекачування середовища в радіально-кільцевих па- рах від центра до периферії. Постановка проблеми Провести лабораторні дослідження механізму поступлення газового середовища із зовні до між- контактного простору поверхонь тертя та створити математичну модель механізму міграції оточуючого середовища на фрикційний контакт. Кількість газового середовища, що походить за одиницю часу на одиницю номінальної поверхні тертя за рахунок адсорбційного ефекту визначається [1]: вз a a К nVk Q π ω = 2 1 , (1) де aQ – об’єм газового середовища; 1k – корегуючий коефіцієнт, враховуючий різницю між площами істинної та номінальної повер- хонь адсорбції з урахуванням глибини проникнення нерівностей; aV – об’єм (зведений до нормальних умов) молекулярного шару газового середовища, адсорбо- ваного на 1 · 10-4 м2 гладкою поверхнею; ω – кутова швидкість відносного руху взірців; n – число елементів асбрфрикційної пластмаси, що складає вузол тертя. Адсорбування газових молекул на адсорбенті відбувається практично в мономолекулярний шар при порівняно невисокій швидкості їхнього випаровування за час 10-5 – 10-10 с. Умови утворення такого шару визначаються з виразу:         +⋅≥      ω − ∆− RT H вз eMT N P n К 201048,01,1 1 , (2) де P – тиск, Па; N – число молекул газу у суцільному моношарі на 1 · 10-4 м2 поверхні; M – молекулярна маса газу, кг; T – абсолютна температура газу, К; H∆ – теплота адсорбції; R – газова стала. Таким чином, згідно умови (2), можна оцінити розхід газового середовища за рахунок адсорб- ційного ефекту. При цьому додатково слід оцінити щілинний ефект, зробивши наступні припущення: - контактний зазор вважатимемо щілиною постійної висоти: 21 ефефеф hhh += , (3) де 21 , ефеф hh – висота ефективного зазору: mailto:L.I.Kryshtopa@mail.ru Дослідження механізму поступлення газового середовища з зовні у міжконтактний простір поверхонь тертя. Частина 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 32 i iviv і h bHB P b h ii пит i еф max 11 2 1                   −      = , (4) де ib , iv – параметри опорної кривої поверхні; iHB – твердість; питP – питоме навантаження; i hmax – максимальна висота мікронерівностей; - при 1<взК не враховується потрапляння газового середовища на контактний зазор по сторо- нам асбофрикційного елемента, що направлено вздовж радіуса; - на середньому діаметрі тертя ( ) 2dDdсер += , за термоокислювальної деструкції, повністю використовується весь кисень зі складу повітря та тиск газового середовища знижується на величину па- рціального тиску кисню в оточуючому вузол тертя повітрі. Кількість газу, що проходить через радіально- кільцеву щілину при ламінарній течії: d D Ph Q ефефщ ln6 3 µ ∆π = , (5) де щQ – спільний розхід газу при щілинному ефекті, 1 · 10 -6 м2/с; µ – динамічний коефіцієнт в’язкості при відповідній температурі; ефP∆ – перепад тиску на кінцях щілини. Секундний розхід газового середовища в контактній щілині на одиниці площі тертя: d D А КPh Q а взефеф щ ln6 3 µ ∆π = . (6) Для кільця площа ( ) вза КdDА 224 − π = а також вираз (6) набуває вигляду: ( ) d D dD Ph Q ефефщ ln3 2 22 3 −µ ∆ = . (7) Загальна кількість газового середовища Q , що поступає на фрикційний контакт, визначається сумарною дією адсорбційного та щілинного ефекту: ща QQQ += . (8) Оскільки газове середовище перекачується від центра до периферії в радіально-кільцевих парах тертя (рис. 1), то для визначення поточного тиску рідин (газів), що стискаються по ширині доріжки тертя, запропоновано залежність: ( ) ( )∑ ∑ π−+ −−µ −= 1 4 2 4 RaWR GRTHRk PP p вхвz вхx , (9) де xP – вхідний тиск зі сторони внутрішньої щілини; k – коефіцієнт Козені-Кармана; G – ваговий розхід рідини; вH – висота хвиль; вхT – температура рідини на вході; pR – глибина згладжування шороховатого шару; W – глибина згладжування хвилі; a – абсолютне зближення; 1R – радіус кільця. Дослідження механізму поступлення газового середовища з зовні у міжконтактний простір поверхонь тертя. Частина 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 33 Рис. 1 – Схема вузла тертя для визначення перекачувального ефекту Протікання газу у подібній системі можна описати рівнянням [3]: ( ) ( ) 2 223 124 KuPbL PPhP Q aa вихвх µη− − = , (10) де Q – об’ємний розхід газу; b , L – ширина і довжина зони контакту; aη – відносна фактична площа контакту; Ku – коефіцієнт звивистості; h – середня висота між контактного зазору. За наведеними залежностями до конкретного вузла тертя можна оцінити розхід газового середо- вища у між контактному просторі. Проте даний метод розрахунку не можна застосовувати при дослі- дженні полімерних матеріалів, а зокрема асбофрикційних полімерних матеріалів. Розглянемо процес розкладу фенолформальдегідного матеріалу під дією повітря та без його до- ступу. За низьких температур (570 - 670 К) виділяються тільки рідкі продукти за рахунок виділення не- прореагованих вихідних мономерів та розщеплення молекул смоли [4]. З підвищенням температури збі- льшується глибина розкладу та відсоток виходу газоподібних речовин, а рідких продуктів навпаки падає. Причому за високих температур (870 - 970 К) вихід CO та органічних газоподібних продуктів зменшу- ється за рахунок більшого окислення. Залежність процентного вмісту газів в продуктах розладу від тем- ператури проходить через максимум при температурі 870 К. Продукти розкладу, що утворюються на поверхнях тертя, можуть утворювати умови напіврідко- го тертя з нижчим коефіцієнтом тертя, при цьому утворюються газоподібні продукти деструкції 2CO та інші, що також можуть відігравати роль „газової подушки”, що сприяє зниженню коефіцієнта тертя. Га- зоподібні органічні продукти деструкції, що згоряють при температурі 1070 K, створюють умови для спалахів та горіння фрикційного матеріалу у процесі гальмування за високих температур. Відновлюване середовище, що попереджує протікання хімічних реакцій з неорганічними інгредієнтами, створюється при утворенні CO . Вплив щілинного ефекту на постачання кисню в зону тертя з підвищенням темпера- тури падає, особливо інтенсивно починаючи з відмітки 670 К. Результати дослідження Виходячи з поставленої задачі досліджень в процесі експерименту реєструвалась різниця тисків P∆ , у між контактному просторі, відносно тиску оточуючого середовища, а також температури повер- хонь тертя та моменту тертя. Представлені нижче дані є усередненими значеннями випробувань семи пар взрів досліджуваних матеріалів: сталі 35Л та гетинаксу ФК-24А. Випробування проводились за питомого тиску P = 0,5 МПа, зміна швидкості обертання відбувалась ступінчато зі швидкостями V = 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 1 м · с-1. Узагальнення та математичне опрацювання даних експерименту проводилось з урахуванням ін- тенсифікації процесу окислення при рості температури, а отже, с підвищенням режимів навантаження та тривання контактування, притерті асбополімерних матеріалів пропорційно зношуванню. При цьому швидкість окислювального зношування представляється у вигляді: mRT E ceAW − = 0 , (11) де 0A – коефіцієнт пропорційності; E – енергія активації; R – універсальна газова стала; T – температура; c – концентрація окислювача; m – показник степеня що визначає порядок реакції. Дослідження механізму поступлення газового середовища з зовні у міжконтактний простір поверхонь тертя. Частина 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 34 Це призводить до трибодеструкції зв’язуючого ФАПМ. Серед продуктів деструкції присутні та- кож газоподібні речовини, що підтверджується експериментом. Отже, надлишковий тиск у між контакт- ному просторі можна кількісно визначити за експериментальними даними у залежності від швидкості (пропорційній температурі) у вигляді: xkk exky 210= , (12) що лінералізується наступним чином:           = = = = = = . ; ; ;ln ;ln ;ln 2 22 11 1 00 xx ka ka xx ka yz (13) Після лінералізації одержується двофакторна залежність: 22110 xaxaaz ++= . (14) Методом найменших квадратів знаходимо значення 210 ,, aaa параметрів лінійної регресії, розв’язуючи систему рівнянь:          =++ =++ =++ ∑ ∑ ∑∑ ∑ ∑ ∑∑ ∑ ∑ ∑ = = == = = == = = = n i n i n i ii n i iii n i n i n i ii n i iii n i n i n i iii xyxaxxaxa xyxxaxaxa yxaxana i i 1 1 1 2 1 2 221120 1 1 1 1 1 212 2 110 1 1 1 22110 . ; ; 2 1 (15) При цьому розрахунок дав наступні залежності: 273183 14,074,0 += − VeVT , (16) VeVP 54,053,191 −=∆ . (17) При повторному випробуванні тих самих взірців: 273264 23,086,0 += − VeVT , (18) VeVP 12,006,143 −=∆ . (19) Адекватність одержаних залежностей перевіряємо за −F критерієм Фішера [5], 2 . 2 відтв ад S S F = , (20) де 2адS – дисперсія адекватності; 2 .відтвS – дисперсія відтворення. Дисперсія відтворення визначається як сума квадратів відтворюваності: . .2 . відтв відтв відтв f SS S = , (21) де .відтвf – число ступенів вільності дисперсії відтворення: ( )∑ = −= n i iвідтв mf 1 . 1 , (22) де im – число дослідів при однакових значеннях ix ; n – число різних значень. ( )∑∑ = = −= n i m u iinвідтв i yySS 1 1 2 . , (23) Дослідження механізму поступлення газового середовища з зовні у міжконтактний простір поверхонь тертя. Частина 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 35 де iy – середнє значення при одному ix : ∑ = = n i in i i ym y 1 1 . (24) Залишкова сума квадратів: ( )∑∑ = = −= n i m u iinзал i yySS 1 1 2 . ˆ , (25) де iŷ – значення функції при ix . Число ступенів вільності дисперсії залишкової суми квадратів: ∑ = −= n i iзал lmf 1 . , (26) де l – число коефіцієнтів у рівнянні. Рис. 2 – Розподіл відносного тиску повітря по доріжці тертя у залежності від шороховатості кільцевих взірців: 1 – 0,5 мкм; 2 – 3,2 мкм; 3 – 6,3 мкм Сума квадратів адекватності дорівнює: ... відтвзалад SSSSSS −= (27) Число ступенів вільності дисперсії адекватності: ... відтвзалад fff −= (28) Висновки Таким чином, рівнянь регресії перевірка адекватності проводиться за схемою дисперсійного ана- лізу. Порівняння одержаних критеріїв адекватності з 97,5 % критичною точкою 30,2F = 1,18 свідчить, що середні квадрати неадекватності незначно відрізняються від середнього квадрата помилки (відтворюва- ності), а отже, одержані рівняння адекватно описують експериментальні дані. На рис. 2 видно, що у міжконтактному просторі пари ФАПМ + сталь при початкових випробу- ваннях, а також при повторних, з’являється надлишковий тиск газоподібних продуктів деструкції. Різни- ця між початковими та повторними випробуваннями у даному випадку є свідченням зміни фізико- механічних властивостей поверхонь, та насамперед, ФАПМ, як найуразливішого до температурного впливу, що буде предметом подальших досліджень при створенні механіко-фізично-хімічної моделі ме- ханізму поступлення газового середовища з зовні у міжконтактний простір поверхонь тертя. Література 1. Зиновьев Е.В. Физико-химическая механика трения и оценка асбофрикционных материалов / Е.В. Зиновьев, А.В. Чичинадзе // М.: Наука, 1978 – 203 с. 2. Соколов В.И. Распределение давления сжимаемой и несжимаемой жидкости в плоском стыке по направлению ее расхода / В.И. Соколов // Межвуз. Сборник Калинин. гос. ун-т. – 1979. – С. 133 - 141. 3. Покусаев В.В. Исследование расхода воздуха через контакт точечных поверхностей / В.В. По- кусаев // Сб. «Контактные взаимодействия твердых тел», Калинин. гос. ун-т. – 1982. – С. 22 - 27. 4. Георгиевский Г.А. Влияние различных инградиентов на фрикционные свойства пластмасс / Г.А. Георгиевский // Сб. «трение и износ в машинах» Издат-во АН СССР – 1962. – ВЫП. 16. – С. 121 - 150. 5. Ахназарова С.Л. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии / С.Л. Ахназа- рова, В.В. Каферов // М.: Высшая школа, 1985. – 327 с. Надійшла в редакцію 15.10.2014 Дослідження механізму поступлення газового середовища з зовні у міжконтактний простір поверхонь тертя. Частина 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 36 Kryshtopa L.I., Bogatchuk I.M. Research of mechanism of receipt of gas environment with outwardly in inter- contact space of surfaces of friction. Рart 1. The article is devote to the problem of laboratory researches of mechanism of receipt of gas environment with out- wardly to intercontact space of friction surfaces and create the physical, chemical and mathematical model of mechanism of migration of environment to the friction contact. For the design of model of migration of environment mechanism which considered to the friction contact adsorption, pumping and crack effects take place. A gas dynamic at intercontact space has a difficult character depending on the modes of friction and mechanical, physical and chemical properties of friction surface can get the positive or negative value. Surplus pressure hinders to migra- tion in between contact space of environment and creates terms for formation areas of pellicle starvation. Subsequent re- searches will be devoted to research of gas dynamic at intercontact space for destructions of phenol formaldehyde surface materials. Key words: intercontact space, friction contact, surfaces of friction, adsorption, adsorbat, adsorbent, pumping effect over, crack effect, phenol formaldehyde surface materials. References 1. Zinovev E.V. Physikо-khimicheskaya mechanika treniya i otsenka asbofriktsionich materialov. E.V. Zi- novev, A.V. Chichinadze. M.: Nauka, 1978. 203 p. 2. Sokolov V.I. Raspredelyenie davleniya szhimayemoy i neszhimayemoy zhidkosti v ploskom stike po napravleniyu eyey rashoda. V.I. Sokolov. Megvuz. Cbornik Kalinin gos. un-t. - 1979. pp. 133 - 141. 3. Pokusaev V.V. Issledovaniye rashoda vozduha cherez kontakt tochechnikh poverkhnostey. V.V. Poku- saev. Sb. «Kontactnoye vzaimodeystviye tverdikh tel», Kalinin. gos. un-t. 1982. pp. 22 - 27. 4. Georgievskiy G.A. Vliyaniye razlichnikh ingradientov na friktsionnie svoystva plastmas. G.A. Geor- gievskiy. Sb. «treniye i iznos v machinah» of Izdat-vo AN USSR - 1962. VIP. 16. pp. 121 - 150. 5. Ahnazarova S.L. Metodi optimizatsii experimenta v chemicheskoy technologii. S.L. Ahnazarova, V.V. Kaferov. M.: Vichsha shkola, 1985. 327 p.