Визначення динамічної в’язкості номінально нерухомого фрикційного контакту при вібронавантаженні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 27 Костогриз С.Г., Шалапко Ю.І., Слащук В.О., Слащук О.О. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: slaschuk.o@gmail.com ВИЗНАЧЕННЯ ДИНАМІЧНОЇ В’ЯЗКОСТІ НОМІНАЛЬНО НЕРУХОМОГО ФРИКЦІЙНОГО КОНТАКТУ ПРИ ВІБРОНАВАНТАЖЕННІ УДК 621.2.082.18 Методом контактно-наведених згасаючих автоколивань виміряна динамічна в’язкість номінально нерухо- мого фрикційного контакту, що знаходиться в умовах вібраційного навантаження. Встановлено, що значення дина- мічної в’язкості для контакту сталевих деталей на дев’ять порядків величини перевищує в’язкість заліза та сталей у розплавах, однак є значно нижчим за відомі значення твердого заліза при нормальних умовах. Ключові слова: динамічна в’язкість, контакт, коливання, вібрація. Вступ Встановлення реальної величини динамічної в’язкості номінально нерухомих фрикційних конта- ктах необхідно для адекватного моделювання контактної динаміки у зовнішньому вібраційному полі, а також забезпечення стійкості та надійності номінально нерухомих фрикційних з’єднань в умовах вібра- ції [1 - 4]. Між тим, значення динамічної в’язкості, наприклад, сталевих контактних шарів практично від- сутні – на відміну від ударної в’язкості сталей та динамічної в’язкості розплавів. Остання для промисло- вих марок сталей становить вельми малу величину  4,5 - 6,0 мПа с (при температурах розплаву 1480- 1650 oС) [5]. В той же час, даними довідникового видання [5], в’язкість твердого заліза при нормальних умовах оцінюється величиною ~ 1010 Па с, тобто на тринадцять порядків більшою. Такий широкий діа- пазон зміни динамічної в’язкості конденсованого середовища, як відомо [1], обумовлений її експонен- ційними залежностями від температури та тиску – однак, прямо протилежного характеру: експоненційне падіння з температурою може компенсуватись експоненційним зростанням з тиском. Оскільки в умовах динамічної контактної взаємодії значних змін зазнають як температура на плямах фактичного контакту, так і фактичний тиск, то в’язкість граничного шару тут може бути надійно встановлена лише експери- ментально. В даній роботі з цією метою використаний динамічний метод аналізу згасаючих контактних коливань, розглянутий раніше в роботі [5]. Мета і постановка задачі Метою даної роботи є визначення реальної величини динамічної в’язкості номінально нерухо- мих фрикційних контактах сталевих конструкцій. Однією з важливих задач трибології металевих конструкцій являється моделювання контактної взаємодії номінально нерухомих фрикційних контактів в умовах вібраційного навантаження. Виклад матеріалів досліджень Дослідження проводились на стенді для випробувань матеріалів в умовах динамічного контакт- ного навантаження. Установка дає можливість дослідити матеріали та покриття на довговічність і зносо- стійкість номінально-нерухомих з’єднань з малою амплітудою відносних переміщень за схемою: кулька- площина, площина-площина та профільних з’єднань. Технічні характеристики стенда наведені в таблиці 1. Таблиця 1 Технічна характеристика для дослідження трибологічних властивостей матеріалів та покриттів в умовах малоамплітудного фретингу Нормальне навантаження, Р 0 … 100 Н Амплітуда коливань, А 5 … 100 μm Частота коливань,ν 100 Гц Габарити 0,6  1,1  0,7 м Маса 200 кг mailto:slaschuk.o@gmail.com Визначення динамічної в’язкості номінально нерухомого фрикційного контакту при вібронавантаженні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 28 Дослідний стенд (рис. 1) працює наступним чином. Зразок 1 жорстко закріплюється в тримачі 2. Тримач 2 являється конструктивним елементом каретки 3, що рухається по направляючих 4. Зворотно- поступальний рух забезпечує електромагніт 5, що прикріплений до направляючих 4, та система пружин 6. Направляючі 4 закріплюються на пластинах 7, які прикручені до втулки 8. Для фіксації вала 10 засто- совано чотири радіально-упорні підшипники 9, розміщені всередині втулки 8. Така конструкція забезпе- чує підйом та опускання рухомого елементу конструкції, а підшипники даного типу обрані для сприй- няття як поперечного, так і осьового навантаження. Вал 10 закріплюється на стояках 11, що в свою чергу кріпляться до станини 12. Нормальне навантаження забезпечує вантаж 13, прикріплений до направляю- чих 4, який розміщений безпосередньо над зоною контакту. Контр-тіло 14 розміщується на тензобалці 15, що закріплена на окремій станині 16. З метою мінімізації впливі коливань установки на результати вимірювань механічна система розташована на масивній основі вагою 200 кг [3]. Рис. 1 – Схема дослідного стенду Електромагніт змінного струму виконано з урахуванням максимального тягового зусилля 10 кг, що забезпечує необхідний діапазон зусиль, які прикладаються до досліджуваного контакту. Амплітуда переміщень зразка відносно контр-тіла регулюється в межах від 5 до 100 µм. Навантаження на пару тіло-контр-зразок подається наступним чином: тангенційне знакозмінне навантаження забезпечується приводом електромагніту, а нормальне зусилля – за допомогою важільного механізму, що утворюється приводом контр-тіла та опорою конструкції. Нормальне навантаження на до- сліджуваний фрикційний контакт може змінюватись в межах від 0 до 100 Н. Для уникнення резонансних явищ в обладнанні передбачено систему плавного пуску генератора механічних коливань. Тангенційне навантаження визначається потужністю струму, підведеного до електромеханічної системи і складає 0 … 200 Н. Дослідження проводилось за схемою площина-кулька, рис. 2. Рис. 2 – Контактна схема: 1 – зразкотримач; 2 – зразок; 3 – контр-тіло(кулька); 4 – система фіксації контр - зразка; Р – сила притискання; Т – тангенціальне зусилля Визначення динамічної в’язкості номінально нерухомого фрикційного контакту при вібронавантаженні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 29 На рис. 3 показані часові залежності зміщень двох контр-зразків та тангенційного контактного зусилля при вібронаванжтаженні дослідного фрикційного контакту. Рис. 3 – Осцилограми одержаних результатів: пунктирний графік з точкою – переміщення зразка; пунктирний графік – переміщення контр - зразка; суцільний графік – контактне зусилля Додатково на рисунку 4 наведені відповідні петлі гістерезису в координатах: зміщення верхньо- го контр - зразка – тангенційне зусилля. Рис. 4 – Петлі гістерезису в уординатах: переміщення верхнього контрзразка – тангенціального зусилля Звертає на себе увагу "аномально" велика початкова амплітуда автоколивань, яка в декілька раз перевищує контактне зусилля в крайніх точках петлі гістерезису. Причина цього криється в самому ме- ханізмі виникнення автоколивань, який має суттєво неврівноважений характер порушення цілісності ко- нтакту при його розвантаженні. Тут значна частина запасеної енергії пружної деформації трансформу- ється в одну з вищих мод коливань тензометричної балки, що є основою кріплення нижчого контр- зразка. Амплітуда зміщень балки в цій моді, очевидно, припадає на середню її частину, де розміщені тен- зодатчики контактного зусилля. Оскільки ці датчики попередньо прокалібровані по першій згинній моді коливань балки, амплітуда яких максимальна на кінці балки (а не посередині), то прийнятий в момент контактного зриву сигнал з тензодатчиком є «аномальним» для згаданої калібровки. Величина динаміч- ної в’язкові контакту визначається тут не по абсолютній, а по відносній величині сигналу, відтак, останнє не впливає на результати вимірювань. Тим не менш, вони отримані в межах певного спрощення реальної ситуації, а саме за умови, що загальна жорсткість послідовного з’єднання копір тіл та опорної балки бли- зька в момент зриву до контактної жорсткості. В такому випадку можна використати розрахункову фор- мулу, отриману квазістатичним методом в роботі [4]:  ωπ δ =η  G (1) Визначення динамічної в’язкості номінально нерухомого фрикційного контакту при вібронавантаженні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 30 Тут η , G – динамічна в’язкість та модуль зсуву граничного контактного шару, δ , ω - відпові- дно логарифмічний декремент та циклічна частота згасаючих коливань. Як показує аналіз графічних даних (рис. 3, 4), логарифмічний декремент в даному випадку не є постійною величиною і зменшується від значення δ 2 на початку коливань, до величини δ 1 в кінці коливань процесу. Це свідчить про в’язко-пластичний характер контакту, за якого на початковому етапі максимальних деформацій розсіяння енергії найбільше. В подальшому контакт дещо «вигладжується» і деформаційні втрати спадають. Щодо самої в’язкості, то вона при цьому, очевидно, зменшується – як за рахунок падіння тиску, так і за рахунок підвищення температури в процесі контактного проковзування. Величина в’язкості, розрахована з (1) за умови δ = 1,5  0,5 при σ = 80 ГПа [7], становить: 101)(3 =η 6 Па · с. Висновки За результатами вимірювань може бути зроблений висновок про те, що динамічна в’язкість гра- ничного шару в умовах вібронавантаження номінально нерухомих фрикційних контактів сталевих дета- лей значно перевищує в’язкість розплавів заліза та сталей, однак є значно нижчою за відомі табличні значення динамічної в’язкості твердого заліза при нормальних умовах [6]. Отримане значення η на по- рядок перевищує в’язкість ультратонких граничних шарів рідкого змащення, отриману в роботах [8 - 9] для режимів граничного тертя. Література 1. Справочник по триботехнике [Текст]: В 3-х томах /Под. ред. М.Хебды, А.В.Чичинадзе. – М.: Машиностроение. – 1989. 2. Костогриз С.Г. Механіка вібраційного тертя в номінально нерухомому фрикційному контакті [Текст]: дис. д.т.н. – Хмельницький. – 1995. 3. Патент України на корисну модель №94006: Установка для випробувань матеріалів в умовах динамічного контактного навантаження./ Курской В. С., Слащук В. О., Слащук О. О.; заяв. 05.05.2014, опуб. 27.10.2014, Бюл. №20. 4. Костогриз С.Г. В’язкий опір деформації зсуву у номінально нерухомому фрикційному контак- ті / С.Г. Костогриз, Ю.І. Шалапко, В.В. Мисліборський // Проблеми трибології. – 2011. – №1. – С. 58-63. 5. Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков. Линейные свойства стали. Электронный ресурс [Режим доступу]: uas.su/2011/ksitok razdel_22php. 6. Справочник. Таблицы физических величин / Под ред. А.И. Кикоина. – М.:Энергоатомиздат. – 1976. 7. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. – М.: Наука. – 1965. – С. 726-730. 8. Batista A.A. Bifurcations from Steady Sliding to Stick-Slip in Bounolary Lubrication [Text] / A. Batista, I. Carlson. Phys.Review E. v.57., №5, –1998. – 4986-4996 p. 9. Berman A.D. Origin and Characterization of Different Stick-Slip Friction Mechanisms [Text] / A. Berman, W. Ducker, I. Israelachchvili. The ACS I. of Surfaces and Colloids (Langmuir). v.12., №19, – 1996, 4559-4563 p. Поступила в редакцію 05.11.2015 Визначення динамічної в’язкості номінально нерухомого фрикційного контакту при вібронавантаженні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 31 Kostogryz S.G., Shalapko Y.I., Slashchuk V.O., Slashchuk O.O. Definitions dynamic viscosity of nominal fixed frictional contact at the vibration loading. The exact definition of dynamic viscosity of nominal fixed frictional contact can be obtained only from laboratory studies. Research conducted at the stand for testing materials under dynamic contact load. Installing enables to explore ma- terials and coating for durability and wear resistance nominal-fixed contact with small amplitude relative movements of the scheme: ball-plane, the plane-plane and profile connections. Were obtained the waveforms, what show loop of hysteresis: movement of the sample and tangential efforts. Note the "abnormally" large initial amplitude of oscillation, which is several times higher than the contact forces in extreme points of the hysteresis loop. Much of the accumulated elastic strain energy is transformed into one of the higher modes of oscillation, which is the basis of the lower mounting counter-sample. The value of dynamic viscosity of contact is determined by the relative magnitude of the signal. It does not affect the outcome of the study. It can be concluded, that dynamic viscosity of contact in terms of vibration load stationary frictional contact steel parts far exceeds the viscosity of melts iron and steel, but is significantly lower than the known tabulated values of dynamic viscosity solid iron under normal conditions. This value the viscosity of the order exceeds ultra-thin layer of liquid lubrication limit for modes of boundary friction. Key words: dynamic viscosity, contact, vibration. References 1. Spravochnyk po trybotekhnyke. V 3-kh tomakh /Pod. red. M.Khebdy, A.V.Chychynadze. M.:Mashynostroenye. 1989. 2. Kostohryz S.H. Mekhanika vibratsiynoho tertya v nominal'no nerukhomomu fryktsiynomu kontakti. dys. d.t.n. Khmel'nyts'kyy. 1995. 3. Patent Ukrayiny na korysnu model' #94006: Ustanovka dlya vyprobuvan' materialiv v umovakh dynamichnoho kontaktnoho navantazhennya. Kurskoy V. S., Slashchuk V. O., Slashchuk O. O.; zayav. 05.05.2014, opub. 27.10.2014, Byul. #20. 4. Kostohryz S.H., Shalapko Yu.I., Myslibors'kyy V.V. V’yazkyy opir deformatsiyi zsuvu u nominal'no nerukhomomu fryktsiynomu kontakti. Problemy trybolohiyi. 2011. №1. S. 58-63. 5. Ukraynskaya Assotsyatsyya Staleplavyl'shchykov. Lyneynыe svoystva staly. Elektronniy resurs [Rezhym dostupu]: uas.su/2011/ksitok razdel_22php. 6. Spravochnyk. Tablytsy fyzycheskykh velychyn. Pod red. A.Y.Kykoyna. M.:Energoatomizdat. 1976. 7. Belyaev N.M. Soprotyvlenye materyalov .M.:Nauka.,1965. S. 726-730. 8. Bifurcations from Steady Sliding to Stick-Slip in Bounolary Lubrication. A. Batista, I. Carlson. Phys.Review E. v.57., №5,1998, 4986-4996 p. 9. Origin and Characterization of Different Stick-Slip Friction Mechanisms. A. Berman, W. Ducker, I. Israelachchvili. The ACS I. of Surfaces and Colloids (Langmuir). v.12., №19, –1996, 4559-4563 p.