Оцінка енергонавантаженості плям контактів мікровиступів металополімерних пар тертя трибосистем Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 11 Криштопа С.І. Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, Україна Е-m ail: ret es@mail.ru ОЦІНКА ЕНЕРГОНАВАНТАЖЕНОСТІ ПЛЯМ КОНТАКТІВ МІКРОВИСТУПІВ МЕТАЛОПОЛІМЕРНИХ ПАР ТЕРТЯ ТРИБОСИСТЕМ УДК 621.891 Пр оілюстр ована оцінка енер гонавантаженості плям контактів мікр овисту пів металопол імер них пар тер тя тр ибосистем за допо могою визначення зовнішніх і вну тр ішніх їхніх пар аметр ів. Визнач ення о станніх пр оводилось на мікр о- і наноенер гетич них р івнях повер хневих і підповер хневих шар ів тр ибоспр яжень. Клю чові слова: ме талополімерні пари тертя, трибоспряження, трибосистема, енерге тичні рівн і, п ляма контакту мікровиступу, поверхневий і підповерхневий шари, робота виходу електронів і іонів. Вступ Розрізнен і дані про енергонавантажен іс ть мета лополімерни х пар тертя трибосистем вимагаю ть оцінки не тіль ки зовн ішн іх екс плуа таційни х параметрів (нормального зусилля; динамічного коефіцієн та тертя; повер хневи х і об'ємни х температур; механ ічни х і термічни х напружень і ін.), а ле і внутр ішн іх па- раметрів (роботи ви хо ду електронів і іон ів; р івн ів Фермі; густин и заря дів; Дебаєвської довжин и екрану- вання; фазови х перетворень; різного роду електрични х с трумів і ін .) Ос танн і в значній мірі вп ли вають на енергетичн і рівні повер хневи х і п ідповер хневи х шар ів трибоспряжень. Мета роботи – обґрунтувати мето д оцінки енергонаван таженості п лям конта ктів мікровис туп ів металополімерни х пар тертя трибосистем на мікро- і нанорівня х. Стан проблеми Специф іка полімерни х матер іалів по лягає в тому, що їх робота в трибоспряження х супроводжу- ється процесами трибоелектризац ії, дифузії [1, 2], а та кож дес трукції з утворенням різни х фаз, які повер- таючись в первинний с тан маю ть інш і енерге тичні рівні повер хневи х і п ідповер хне ви х шарів. Одержан і таким чином хімічно акти вні продукти взаємодію ть з шорсткими плямами контактів мікровиступ ів мета- левого елементу. Відомо що пара тертя «полімер-метал» має різну енергонавантаженіс ть при фрикційн ій взаємодії трибоспряження. Повер хневий і п ідповер хне вий шари полімерної накла дки є накопичувачами зарядів, об'єм і влас тивос ті я ки х змінюю ться за лежно від їхньої енергонаван таженості. Остан ня в значн ій мірі впли ває на механічне, еле ктричне і теплове поля . Що стосується металевого фрикційно го елементу з мікровиступами плям контактів, то він є акумулятором теплової енергії. Крім того, мікровис тупи конта к- тів металево го елементу беруть активну участь у формуванні ланцю гів мікроконденса торів і мікротермо- електробатарей [3]. Ви хо дячи з ви щеви кла деного і є актуальною оцінка енергонаван таженос ті п лям кон- тактів м ікровис тупів металопо лімерни х пар тертя трибосистем. Пос тановка зад ачі У даній публікац ії розгляну ті наступн і пи тання с тосовно дано ї проблеми: - визначення вну тріш ніх і зовнішніх параметрів в енергетични х поля х мета лополімерних пар те- ртя в трибосис темах; - робота ви хо ду е лектронів і іонів з повер хо нь фрикц ійного мета лополімерного трибоспряження; - енергонавантажен іс ть дискре тного конта кту мікровиступ ів мета лополімерни х пар тер тя трибосистем. Визначення внутрі шні х та зовні шніх параме трів в ене ргетичних полях металополіме рних пар те ртя в трибосис темах Метод визначення вну тріш ніх параметрів в енерге тични х поля х мета лополімерни х пар тертя в трибосистема х базується на підтримці допустими х гра дієн тів фізи ко-ме хан ічни х влас тивостей матеріа лів пар тертя, які перебувають п ід дією полів: ме хан ічного, е лектричного, еле ктромагнітно го, теп лового, хі- мічного. При цьому необ хідно оц іни ти : - роботу ви хо ду е лектронів та іон ів з мета лополімерного трибоспряження; - енерге тичні рівн і різни х ти пів кон тактів мікровис тупів пар тертя трибосистеми [7]; - поляризац ійн і та деполяризац ійн і процеси на пляма х кон тактів мікровиступ ів металопо лімер- ного трибоспряження [5, 6]; - енерге тичні рівн і повер хневи х та підповер хневи х шар ів матер іалів пар тер тя трибосистеми [8]. Оцінка енергонавантаженості плям контактів мікровиступів металополімерних пар тертя трибосистем Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 12 У реальни х умова х мета лополімерні пари тер тя п іддаю ться нас тупним термічним навантажен - ням: імпульсне нагріван ня і повільне природне о холо дження; нагрівання і о холо дження з високим тем- пом; повільне нагр івання і вимушене о холодження; нагр івання і о хо лодження з малим темпом. Темпи нагріванн я, природного і вимушеного о холодження робочи х повер хон ь мета лополімерни х пар тер тя га- льмівни х пристроїв і ви значають їхн і е лектротермостимульовані процеси поляризац ії і деполяризац ії. Нада лі, в резуль та ті досліджень вс тановлено, що при роботі повер хонь фрикцій ни х на кла док в зон і температур до допус тимої і вище за неї, температури змінюються аперіо дично (рис. 1). При цьому позитивн і пики температури відповідаю ть роботі мікротермоба- тарей в режимі мікротермо-електрогенераторів (крива 1), а в ін тервалі невисоки х температур 75,0 - 150,0 °С – в режимі мікротермоелектро хо лоди - льників (крива 2). Зв'язок між си нусоїда льним за коном зміни п лоскої еле ктромагнітно ї хви лі при тліючому і іскровому розряда х і експ луа тацій ними парами мета- лополімерни х пар тер тя гальма наве ден і в роботі [9]. Вивчення в часі залеж ностей зміни динамічного коефіцієн та тертя фрикц ійни х вузлів га льмівни х при- строїв (рис. 2) дозволяє оціни ти динамічну картину зага льного балансу підве деної і відве деної від трибо- системи енергії. Зовнішня робота, що п ідводитьс я до трибосистеми, за трачується на пружну і плас тичну дефор- мацію повер хневи х шарів і на у творення м ікротермоелектробатарей. Остан ні працюють в режима х мік- ротермоелектрогенераторів і мікротермоелектро холо диль ників, сприяючи прямому нагріванню і о холо- дженню повер хневи х і п ідповер хневи х шарів е лементів тер тя гальмівни х прис троїв. Інш і види трансфо- рмації механ ічної енергії при низь ки х ш ви дкостя х ковзання елементів тертя га льм є несуттєвими (напри- кла д, випромінювання ). Робота тер тя за лежи ть від п лощ і фактичного кон такту і від ф ізи ко-ме хан ічни х і хім ічни х влас тивос тей повер хне ви х і п ідповер хне ви х шарів ма теріа лів пари тер тя гальмівни х пристроїв, які в процесі тертя порівня но повільно зб іль шують та зменшують свою міцн іс ть. Тому частина кривої 2 (рис. 2) динамічного коефіц ієн та тертя, яка описується низь кочасто тною скла довою, пов'язана з ме хан іч- ною енергією, що пос тупає в трибосистему. Остан ня за трачується на її перерозподіл і забезпечення ро- боти мікротермобатарей, які генерують еле ктричну енергію з пода льшим її перетворенням в теплову в підповер хневи х шара х е лементів тер тя фрикц ійни х вузлів га льмівни х пристроїв. Рис. 2 – Закономі рності змі ни в часі (τ) динамі чного коефі ці єнта тертя (f) для пари «метал - полі мер» (при p = 0,3 МПа, V = 0,6 м/с); 1, 2 – високочастотна і низь кочастотна складові «сухого» те ртя; 3 – крива при «мокрому» те рті ; 4 – систематизована синусоїдальна крива (за даними Д.О. Воль че нко) Природа високочастотної скла дової (ди в. рис. 2, крива 1) пов'язана з дис кретн іс тю кон такту, а високочастотн і п іки динамічного коефіц ієнта тертя відповідаю ть енерге тичним процесам, що відбува- ються миттєво в конта кта х повер хне ви х шар ів, я кі вис тупаю ть джере лом теплоти і хо лоду за ра хунок ге- нерації в н и х прями х і зворотни х с трумів. Криві 1, 2 і 3 (див. рис. 2) міс тя ть інформацію про вп лив на- пряму струму, що генерується в пара х тер тя «полімер-мета л», на величину динамічного коефіц ієнта тер- тя. При про ходже нні прями х м ікрострумів від робочої поверхн і обода га льмівного барабана до ано дно- поляризовани х діля нок робочих повер хонь фрикційни х накладо к f виявляється завжди б іль ше (рис. 2, ін- тервали часу 510 - 520 с і 550 - 570 с для криви х 1 і 2, відповідно), н іж на ка тодно-поляризован и х діля н- ка х з температурою, що переви щує допустиму. При цьому виникаю ть зворотн і мікроструми (рис. 2, ін- тервал часу 510 - 580 с для криво ї 3). Причому у всіх випа дка х f знижується із зб іль шенням гус тини струму nj при замиканні пари тертя. Динамічний коефіц ієнт тертя ка тодно-по ляризовани х діляно к ро- бочої поверхн і фрикц ійни х на кла док завж ди менше динамічного коефіцієн та тертя їх ано дно- Рис. 1 –Змі на темпе ратур фрикці йних накладок гальмі вних механі змі в автобуса ЛАЗ-695 при гальмуванні на маршруті Се вастополь - Ялта (за даними Б.Б. Ге нбома) Оцінка енергонавантаженості плям контактів мікровиступів металополімерних пар тертя трибосистем Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 13 поляризовани х ділянок, тобто ( ka ff  ), при зростанн і nj він зм інюється для р ізни х матер іалів по- різному [4]. Таким чином, переполяризація ділянок робочих повер хонь фрикц ійн и х на кла док в пара х тер тя гальмівни х прис троїв викликає інверсію мікрострумів і зміну їх ве личин і, я к наслідок, зміну динамічно- го коефіцієн та тертя, що характеризує енергетичні процеси в поверхне ви х і підповер хне ви х шара х е ле- ментів тер тя. Стосовно струмів омиваючого повітря робочи х повер хонь пар тертя гальмівни х пристроїв, то його характеристи ки теж маю ть хви льову природу (ди в. рис. 3, а, б, в). а б в Рис. 3 – Закономі рності змі ни в’язкості (а), те плоємності (б) і те плопрові дності (в) повітря в зале жності ві д його темпе ратури при рі зних тисках: 1 – Р = 0,1 МПа; 2 – Р = 1,0 МПа; 3 – Р = 10,0 МПа (за даними В.К. Кошкина) Згідно методу еле ктродинамічного вс тановлення за кономірностей зміни е ксплуа тац ійни х пара- метрів мета лополімерних пар тер тя стр ічково-колодкового га льма бурової лебідки видно, що при кон та- ктно - імпульсн ій взаємодії робочих повер хо нь га льмівни х шківів та фрикційни х накла док на їхн іх пля- мах конта кту генеруються е лектричн і струми. Останн і описую ться синусоїда льним законом зміни п лос- кої електромагнітно ї хви лі при тліючому та іскровому розрядах. Закономірності зміни експ луатац ійни х параметрів пар тертя в час і відбуваються з р ізними амплітудами, які описую ться для : імпульсни х пи то- мих нава нтаже нь періодом π; динамічного коефіц ієн та тер тя – періодом 2π; зміни повер хневи х напру- жень в матеріа лі ободу шківа, що виклика ні температурами спала ху та температурними градієн тами – періодом π; нагріванн я та вимушеного о хо лоджен ня повер хневи х температур – періодом π\2; солітонів- імпульсів, що виникаю ть в міжкон тактному зазорі пар тертя, з різною довж иною хви лі – періодом π\2; зносу робочих повер хонь спряжен и х пар тертя – періодом π. Закономірності зміни експ луатац ійни х па- раметрів пар тертя с трічково-коло дкови х гальм бурови х леб ідо к описуються різними ампліту дами з пе- ріодами від π\2 до 2π на основі еле ктро динамічної теорії тер тя та зносу. Робота виходу еле ктронів та іонів з пове рхонь ф рикці йної взаєм одії металополіме рног о трибос пряже ння Мілітрібологічний рівен ь експеримента льни х дос ліджень включає оц інку енергона ванта женості поверхневи х і підповер хневи х шарів мета лополімерни х пар тертя га льмівн и х прис троїв. Розглянемо зв'я- зок роботи вихо ду електронів і іонів з робочих повер хонь металополімерни х пар тертя і їх повер хне вої температури від п итоми х наван тажень, діючи х на п лями кон тактів м ікровис тупів (рис. 4, а , б, в, г). При цьому поверхневі температури полімерни х накла док були нижче (рис. 4, а, б, в) і вище (рис . 4, г) допус- тимої для їх матеріа лів, не дивлячись на те , що в кон такта х взаємодії температури були однаковими. Проведемо аналіз температур, що виникаю ть на повер хня х п лям мікровис тупів при різни х типа х конта ктів в процесі фрикц ійно ї взаємодії (рис. 4). Ділян ка I відповідає, в основному, області пружної де- формації повер хневи х шарів матеріа лів е лементів тертя, а ділянки II і III – переважно облас ті п ластични х деформацій, в яки х мають місце процеси без і з насиченою густиною дислокац ій . Д ілянка I на рис. 4, в зміщена вліво, а на рис. 4, г ділянка I взага лі відсутн я, зли ваючись з ділянкою II. Пояснюється це тим, що в першому випадку починаються дес труктивн і процеси вигоряння зв'я - зуючих компонентів матер іалів повер хневи х шар ів по лімерної на кла дки і утворення п лям рідини на її поверхні, а в другому випадку дес труктивн і процеси закінчуються із зб ільшенням кількості п лям рідини на робочій поверхні по лімерної накла дки . Третя ділян ка на всіх рисунка х характеризуються динам ічною рівновагою між процесами розмноження і анігіляц ії дефектів з у творенням мікропар і мікротріщин в по- вер хневи х шара х мета лополімерни х пар тертя. При цьому товщина теп лового шару при велики х імпуль- сни х пи томи х нава нтаже ння х в мета лополімерни х пара х тертя на один -два порядки переви щує товщину поверхневого і п ідповер хневого шарів їхн іх елемен тів. Покажемо як вп ливаю ть вказа ні вище три діля нки, проілюс трован і на рис. 4 на зміну повер хне - вої температури, імпульсни х пи томи х на ван тажень та на роботу ви хо ду е лектронів і іонів з робочи х по- вер хонь металопо лімерни х пар тер тя. Ос танн ій параметр є визнача льним і в значн ій мір і вп ливає на пе- Оцінка енергонавантаженості плям контактів мікровиступів металополімерних пар тертя трибосистем Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 14 рши х два параметри. На ділянц і I (рис. 4, а) спостерігає ться збільшен ня роботи ви ходу як еле ктрон ів, так і іонів із зрос танням імпульсн и х пи томи х наван тажень . а б в г Рис. 4 – Закономі рності змі ни поверхневої температури (tп, крива 1) в і нте рвалі температур нижче і вище допустимої (tд) для мате ріалі в поліме рної накладки і роботи виходу еле ктроні в (крива 2) і іоні в (крива 3) з робочих поверхонь металополі мерних пар те ртя (Wм, Wп) ві д питомих навантаже нь (Р) пі д час фрикці йної взаємодії рі зних типі в контакті в: а – блокуючого (Wм > Wп); б – не йтраль ного (Wм = Wп); в, г – омі чного при tд < tп і tд > tп (Wм < Wп); І, ІІ, ІІІ – області деформації пове рхне вих шарі в елементів те ртя: пружного і пластичного В резуль та ті змін, які відбуваються на робочих повер хня х мета лополімерни х пар тертя, робота ви хо ду електронів і іон ів з повер хон ь тер тя зменшується (рис. 4, а). Що с тосується графічни х за лежнос- тей, пре дс тавле ни х на рис. 4, в, г, то ная вн ість рідко ї фази ви кли кає збільше ння пи томи х нава нтаже нь в парах тер тя. Робота ви хо ду іон ів на ни х б іль ше роботи ви хо ду електронів у зв'язку з ефектом спорідне- ності до е лектрона (перетворення е лектронів в іони ). Як ви дно з рис. 4, а , б, в, г повер хнева температура монотонно збіль шується в да ному діапазон і імпульсни х пи томи х наван тажень, не має екс тремумів і корелює ться з роботою ви хо ду е лектронів і іонів. Проте на III-х ділян ка х (рис. 4, б, г) при Wм = Wп і Wм