Критерий оценки добротности трибосистем и его связь с трибологическими характеристиками Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 35 Войтов В.А., Бекиров А.Ш., Войтов А.В. Харьковский национальный технический университет с/х им. П. Василенко, г. Харьков, Украина E-mail: vavoitovva@gmail.com КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ДОБРОТНОСТИ ТРИБОСИСТЕМ И ЕГО СВЯЗЬ С ТРИБОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ УДК 621.891 Получило дальнейшее развитие определение добротности трибосистемы, которое в отличие от известного учитывает геометрические размеры и кинематическую схему трибосистемы, температуропроводность материалов и скорость распространения деформации в поверхностных слоях материалов трибоэлементов в процессе их контакт- ного взаимодействия. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлена взаимосвязь между ве- личиною добротности, скоростью изнашивания и коэффициентом трения в процессе приработки. Показано, что увеличение добротности снижает указанные выше параметры, а сам критерий является мерою потенциальной воз- можности трибосистемы приспосабливаться (адаптироваться) к условиям эксплуатации. Ключевые слова: трибосистема, моделирование, скорость изнашивания, сила трения, совместимость материалов, добротность трибосистемы, критерий добротности трибосистемы. Актуальность проблемы Понятие добротности трибосистемы было введено авторами работы 1 и определено как спо- собность сопрягаемых материалов в трибосистеме (смазочная среда и реологические свойства структуры материалов подвижного и неподвижного трибоэлементов) превращать работу сил трения в тепловую энергию, тем самым препятствовать запасам энергии в поверхностных и подповерхностных слоях трибо- элементов, которые можно оценить деформируемым объемом. Чем большая часть работы трения будет преобразована в тепло и меньший объем материала бу- дет участвовать в деформации, тем больше добротность трибосистемы. Понятие добротности трибосистемы дополняет понятие совместимости материалов в трибоси- стеме, под которым понимают способность контактирующих материалов приспосабливаться друг к дру- гу и к изменяющимся условиям трения с учетом взаимодействия материалов со смазочной и окружаю- щей средой, обеспечивая заданную долговечность и устойчивую работу во всем диапазоне эксплуатации. Как следует из приведенного определения на добротность трибосистемы оказывают влияние процессы формирования поверхностных слоев при трении, трибологические свойства смазочной среды, а также конструкция трибосистемы, реологические свойства структуры сопряженных материалов и ха- рактер прикладываемой нагрузки к трибосистеме. Для прогнозирования износостойкости трибосистем, а также для расчета скорости изнашивания и потерь на трение, необходимо иметь количественный параметр оценки добротности трибосистемы, ко- торый является многопараметрической функцией процессов, протекающих в поверхностных и подпо- верхностных слоях материалов и зависит от характера прикладываемой нагрузки. Анализ публикаций, посвященных данной проблеме Проблеме совместимости материалов, принадлежат работы [2 - 4]. В данных работах определе- но понятие совместимости материалов, которое заключается в способности контактирующих материалов приспосабливаться друг к другу и к изменяющимся условиям трения с учетом взаимодействия материа- лов со смазочной и окружающей средой, обеспечивая заданную долговечность трибосистемы и устойчи- вую ее работу без смазки или в режиме нарушения целостности смазки. В более поздней работе [5], было уточнено понятие совместимости – как способности трибосистемы обеспечивать оптимальное состояние в заданном диапазоне условий работы по выбранным параметрам. Учитывая то, что трение является динамическим и диссипативным процессом, количественной характеристикой релаксационных свойств поверхностных слоев материалов может служить внутреннее трение [6, 7]. Внутреннее трение характеризует способность структуры материала к рассеянию энергии колебаний, связанной с плотностью, концентрацией и подвижностью дислокаций и точечных дефектов. В работах, выполненных под руководством В.В. Шевели [8 - 10], показано, что релаксационные процессы проявляют более высокую структурную чувствительность к изменению напряженно- деформированного состояния материала при динамическом нагружении по сравнению с физико- механическими свойствами. Основным выводом указанных выше работ является то, что реологические свойства фрикционного контакта можно представить в виде четырех уровней, в которых сосредоточены процессы контактного взаимодействия. Критерий оценки добротности трибосистем и его связь с трибологическими характеристиками Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 36 На основании выполненного анализа работ можно сделать вывод, что релаксационные свойства структуры материалов, из которых изготовлена трибосистема, влияют на совместимость материалов, и являются функцией износостойкости и прирабатываемости, что доказано в работе [11]. В данной работе приводится параметр – коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в структуре материала, кото- рый характеризует величину внутреннего трения и методика его измерения. Авторами работы [1] вводится параметр для количественной оценки добротности трибосистем:    нпyEQ , Дж/м 3, (1) где yE – трибологические свойства смазочной среды, Дж/м 3, определяются согласно работы [1]; n , н – коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в структуре материала подвижного и неподвижного трибоэлементов, безразмерные величины, определяются согласно работы [1]. Как следует из формулы (1) добротность трибосистемы – это размерная величина, которая учи- тывает трибологические свойств смазочной среды (наличие поверхностно-активных и химически- активных веществ в смазочной среде), а также внутреннее трения структуры материалов, из которых из- готовлены подвижный и неподвижный трибоэлемент. При этом, формула (1) не учитывает геометриче- ские размеры (конструкцию) трибосистемы, теплопроводность материалов из которых изготовлены три- боэлементы и условия нагружения. Анализируя представленный материал, можно сделать вывод, что разработка критерия, который бы более полно учитывал перечисленные выше факторы, является актуальной задачей. Цель исследований Разработать критерий оценки добротности трибосистемы и оценить его влияние на скорость из- нашивания, коэффициент трения и время приработки. Методический подход в проведении исследований В основу методического подхода при дополнении критерия добротности трибосистемы исполь- зуем параметры, которые учитывают конструкцию трибосистемы, температуропроводность материалов и условия нагружения. Параметр, который учитывает геометрические размеры трибосистемы, коэффициент формы Кф, согласно работы [12] рассчитывается по формуле: , min max min F FV V F K н п ф    1/м (2) где minF – площадь трения неподвижного трибоэлемента, м 2; nV – объем материала, находящийся под площадью трения подвижного трибоэлемента, м 3; нV – объем материала, находящийся под площадью трения неподвижного трибоэлемента, м 3; maxF – площадь трения подвижного трибоэлемента, м 2. Значимыми параметрами также являются: температуропроводность материалов трибоэлементов a, м2/с и скорость деформации в данных материалах  , 1/с. Учитывая то, что в трибосистеме одновременно участвуют в работе подвижный и неподвижный трибоэлемент, используем понятия приведенных значений. Приведенный коэффициент температуропроводности материалов трибосистемы определим по выражению: нп нп пр aa aa a    2 , м2/с, (3) где na и нa – коэффициенты температуропроводности материалов подвижного и неподвижного трибоэлементов, справочная величина, м2/с. Приведенную скорость деформации в подповерхностных слоях материалов трибосистемы, кото- рая зависит от условий нагружения, определим по выражению: Критерий оценки добротности трибосистем и его связь с трибологическими характеристиками Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 37 нп нп пр       2 , 1/с (4) где n и н – скорость деформации материалов подвижного и неподвижного трибоэлементов, 1/с. На основании работы [13]: фпкп склфпк ппп dЕ v    )05,186,0)(1(75 , (5) фпкн склфпк ннн dЕ v    )05,186,0)(1(75 , ) где n и н – коэффициенты Пуассона материалов подвижного и неподвижного трибоэлемен- тов, справочная величина; фпк – напряжение на фактическом пятне контакта, рассчитывается по формуле представленной в работе [13], Па; склv – скорость скольжения, м/с; nЕ и нЕ модуль упругости материалов подвижного и неподвижного трибоэлементов, справоч- ная величина, Па; фпкd – диаметр фактического пятна контакта, м 2, рассчитывается по формуле представленной в работе [13], Па. С учетом изложенных дополнений добротность трибосистемы можно оценить по выражению:       нп пр упрф ЕaКQ  2 , Дж/м3 (7) Приведенное выражение добротности трибосистемы, в отличие от известного (1), учитывает: - геометрические размеры трибосистемы, которые влияют на время приработки; - температуропроводность материалов трибоэлементов, которая влияет на уровень температур- ных напряжений в подверхностных слоях; - скорость распространения деформации в поверхностных слоях материала трибоэлементов, ко- торая зависит от условий нагружения. Перечисленные отличия оказывают влияние на время приработки трибосистем, а следовательно, на динамику переходных процессов в трибосистемах. Результаты исследования Зависимости изменения величины добротности от изменения коэффициента формы трибосисте- мы Кф, реологических свойств структуры сопряженных материалов n н их температуропроводности aпр и трибологических свойств смазочной среды Еу, представлены на рис. 1. Это параметры, увеличение которых прямо пропорционально влияет на величину добротности, за исключением коэффициента формы. Как следует из анализа кривых, наибольшее влияние на добротность оказывает конструкция трибосистемы, формула (2), которая учитывает величины площадей трения у неподвижного и подвижно- го трибоэлементов их отношение и величины объемов материала, расположенными под площадями тре- ния. Далее, по степени убывания, трибологические свойства смазочной среды, температуропроводность материалов трибоэлементов и реологические свойства структуры материалов. Величина скорости деформации в поверхностных слоях материалов трибоэлементов nр , фор- мула (4), обратно пропорциональна величине добротности. Параметры, которые входят в выражения скорости деформации материалов неподвижного и подвижного трибоэлементов, определяются выраже- ниями (5) и (6), влияние которых представлено на рис. 2. Как следует из анализа полученных зависимостей, наибольшее влияние на добротность трибоси- стемы оказывает величина скорости скольжения, а затем, по степени убывания шероховатость поверхно- стей трения и нагрузка. Критерий оценки добротности трибосистем и его связь с трибологическими характеристиками Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 38 Проведенные теоретические исследования позволяют выполнить рейтинг влияния указанных выше параметров на добротность трибосистем. При этом, диапазон изменения параметров выбран в пре- делах функционирования трибосистем в режимах нормального изнашивания, т.е. без повреждаемости. Отношение максимального значения добротности к минимальному, при изменении одного из парамет- ров, позволяет определить во сколько раз изменяется показатель добротности в заданных пределах моде- лирования. Максимальное влияние на добротность оказывают два параметра: коэффициент формы и ско- рость скольжения. При этом коэффициент формы стоит на первом месте – 9,28 раз, а скорость скольже- ния на втором – 9,23 раза. Рис. 1 – Зависимости изменения величины добротности трибосистем от изменения коэффициента формы, реологических свойств материалов трибоэлементов их температуропроводности и трибологических свойств смазочной среды Рис. 2 – Зависимости изменения величины добротности трибосистем от изменения шероховатости поверхностей трения, нагрузки и скорости скольжения На третьем месте трибологические свойства смазочной среды – 5,55 раз, на четвертом – шерохо- ватость поверхностей, 4,83 раза, на пятом – температуропроводность материалов трибоэлементов – 1,55 раз. На шестом месте по значимости, стоит нагрузка – 1,5 раза, и на последнем, седьмом месте, рео- логические свойства структуры сопряженных материалов – 1,28 раза. Критерий оценки добротности трибосистем и его связь с трибологическими характеристиками Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 39 На основании выполненного рейтинга можно обосновать параметры, которые влияют на доб- ротность, а следовательно, и на время переходного процесса в трибосистемах. Это скорость скольжения, шероховатость поверхностей трения и смазочная среда. Коэффициент формы трибосистемы в процессе приработки не изменяется. Это величина, которая определяется при проектировании и является констан- той в процессе приработки и эксплуатации трибосистемы. Величина шероховатости также формируется в процессе изготовления трибосистем, однако в процессе приработки и эксплуатации изменяется и приходит к равновесной величине. Трибологические свойства смазочной среды также не изменяются в процессе приработки, одна- ко изменяются в процессе эксплуатации. Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что процессом приработки можно управлять, из- меняя nр , формула (4), в сторону уменьшения. Для этого необходимо уменьшить скорость скольжения скл и нагрузку N. Анализ зависимостей представленных на рис. 2 позволяет утверждать, что изменение нагрузки N незначительно влияет на величину добротности, а скорость скольжения скл является эф- фективным параметром, изменяя который можно управлять процессом приработки. Моделирование изменения скорости изнашивания и коэффициента трения для различных трибо- систем позволило получить теоретические зависимости изменения указанных параметров от величины добротности Q . На рис.3 представлены теоретические кривые (сплошные линии) изменения максимального зна- чения скорости изнашивания во время приработки maxI и установившегося значения скорости изнаши- вания после завершения приработки устI для трибосистем с различной добротностью. Анализ получен- ных зависимостей позволяет сделать вывод, что увеличение добротности трибосистемы снижает величи- ны скорости изнашивания, как в процессе приработки, так и после завершения приработки на устано- вившемся режиме. Рис. 3 – Зависимость изменения максимального значения скорости изнашивания в процессе приработки и установившегося, после завершения приработки, от величины добротности трибосистем Аналогичные исследования были выполнены для коэффициента трения, рис. 4, что также позво- ляет сделать вывод о наличии функциональной связи между максимальными и установившимися значе- ниями коэффициента трения в процессе приработки и величиною добротности трибосистем. Полученные теоретические кривые были проверены экспериментально. На рис.3 и рис.4 нанесе- ны экспериментальные точки для трибосистем с различными значениями добротности. Например, для высших кинематических пар, где контакт осуществляется по линии с коэффициентом взаимного пере- крытия меньше 0,1 и сочетании материалов: сталь 40Х + сталь 40Х, добротность трибосистемы Q ≤ 0,4·1012 Дж/м3. Для низших кинематических пар, где контакт осуществляется по площади с коэф- фициентом взаимного перекрытия больше 0,5 и сочетании материалов: сталь 40Х + Бр.АЖ 9-4, доброт- ность трибосистемы Q = (12 … 24)· 1012 Дж/м3. Расчет относительной ошибки моделирования между теоретическими и экспериментальными значениями скорости изнашивания позволяет утверждать, что относительная ошибка составила: Критерий оценки добротности трибосистем и его связь с трибологическими характеристиками Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 40 Ie =7,2 … 8,3 %, fe = 7,9…9,3 %, что является удовлетворительным результатом при моделировании процессов трения и изнашивания. Результаты моделирования и их экспериментальная проверка функциональной связи между вре- менем приработки tпр и добротностью трибосистемы Q представлена на рис. 5. Трибосистема с значениями Q ≤ 0,4·1012 Дж/м3, а это в основном высшие кинематические пары, имеют минимальное время приработки по коэффициенту трения и одновременно, максимальное время по скорости изнашивания. При переходе к низшим кинематическим парам Q > 0,4·1012 Дж/м3, где кон- такт осуществляется по площади, меньшее время приработки соответствует параметру скорости изнаши- вания, а большее – коэффициенту трения. При увеличении добротности трибосистем время приработки по параметру коэффициента трения значительно уменьшается, однако при этом незначительно увеличи- вается время приработки по параметру скорости изнашивания. Рис. 4 – Зависимость изменения максимального значения коэффициента трения в процессе приработки и установившегося, после завершения приработки, от величины добротности трибосистем Рис. 5 – Зависимости изменения времени приработки по параметрам скорости изнашивания и коэффициента трения от величины добротности трибосистем Как следует из полученных результатов, при определенном значении добротности Q = 30·1012 Дж/м3 время приработки по двум параметрам будет одинаковым. Расчет относительной ошибки моделирования времени приработки позволяет утверждать, что te = 8,2 … 9,4 %. Критерий оценки добротности трибосистем и его связь с трибологическими характеристиками Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 41 Представленные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод, что величина добротности трибосистем Q может выступать мерою потенциальной возможности трибо- системы приспосабливаться (адаптироваться) к условиям эксплуатации обеспечивая максимальный ресурс. Выводы 1. Получило дальнейшее развитие определение добротности трибосистемы, которое в отличие от известного учитывает геометрические размеры и кинематическую схему трибосистемы, температуро- проводность материалов и скорость распространения деформации в поверхностных слоях материалов трибоэлементов в процессе их контактного взаимодействия. Теоретическими и экспериментальными ис- следованиями установлена взаимосвязь между величиною добротности, скоростью изнашивания и ко- эффициентом трения в процессе приработки. Показано, что увеличение добротности снижает указанные выше параметры, а сам критерий Q является мерою потенциальной возможности трибосистемы приспо- сабливаться (адаптироваться) к условиям эксплуатации. 2. Установлена взаимосвязь между временем приработки и величиною добротности. Показано, что процессом приработки можно управлять. Для уменьшения времени приработки необходимо умень- шать скорость скольжения во время переходного процесса и увеличивать трибологические свойства сма- зочной среды. Литература 1. Войтов В.А., Захарченко М.Б. Моделирование процессов трения и изнашивания в трибосисте- мах в условиях граничной смазки. Часть 3. Добротность трибосистемы // Проблеми трибології. – 2015. – № 3. – С. 45-53. 2. Алексеев Н.М. Некоторые аспекты совместимости материалов при трении. I. Подповерхност- ные процессы // Н.М. Алексеев, Н.А. Буше // Трение и износ. – 1985. – Т. 6, № 5. – С. 773 - 783. 3. Алексеев Н.М. Некоторые аспекты совместимости материалов при трении. II. Подповерхност- ные процессы // Н.М. Алексеев, Н.А. Буше // Трение и износ. – 1985. – Т. 6, № 5. – С. 965 - 974. 4. Алексеев Н.М. Некоторые аспекты совместимости материалов при трении. III. Микропроцес- сы механической фрикционной приспосабливаемости // Н.М. Алексеев, Н.А. Буше // Трение и износ. – 1987. – Т. 8, № 5. – С. 197 - 205. 5. Буше Н.А. Решенные и переменные задачи по совместимости трибосистем / Н.А. Буше // Тре- ние и износ. – 1993. – Т. 14, № 1. – С. 25 - 34. 6. Криштал М.А., Пигузов Ю.В., Головин С.А. Внутреннее трение в металлах и сплавах. – М. : Металлургия, 1964. – 245 с. 7. Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. – М. : Металлургия, 1974. – 352 с. 8. Шевеля В.В. Реология износостойкости и совместимости пар трения // Трение и износ. – 1993. – Т. 14, № 1. – С. 48-63. 9. Шевеля В.В., Трытек А. Реология визкоупругого фрикционного контакта // Проблемы трибо- логии. – 2010. – № 4. – С. 6-16. 10. Шевеля В.В., Олександренко В.П. Трибохимия и реология износостойкости. – Хмельницкий: ХНУ, 2006. – 278 с. 11. Шевеля В.В., Войтов В.А., Суханов М.И., Исаков Д.И. Закономерности изменения внутрен- него трения в процессе работы трибосистемы и его учет при выборе совместимых материалов // Трение и износ. – 1995. – Т. 16, №4. – С. 734-744. 12. Войтов В.А. Принципы конструктивной износостойкости узлов трения гидромашин / В.А. Войтов, О.М. Яхно, Ф.Х. Аби Сааб. – К.: Нац. техн. ун-т «Киев. политехн. ин-т», 1999. – 190 с. 13. Войтов В.А., Захарченко М.Б. Моделирование процессов трения и изнашивания в трибоси- стемах в условиях граничной смазки. Часть 1. Расчет скорости работы диссипации в трибосистеме // Проблеми трибології. – 2015. – № 1. – С. 49-57. Надійшла в редакцію 31.05.2018 Критерий оценки добротности трибосистем и его связь с трибологическими характеристиками Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 42 Vojtov V.A., Bekirov A.SH., Voitov A.V. Criteria for evaluation of tribus system practices and its communi- cation with tribological characteristics. The definition of the quality factor of the tribosystem was further developed, which, unlike the known, takes into account the geometric dimensions and kinematic scheme of the tribosystem, the thermal diffusivity of materials and the rate of propagation of deformation in the surface layers of the triboelement materials in the course of their contact interaction. Theoretical and experimental studies have established a relationship between the Q-factor, the wear rate and the friction coef- ficient in the process of running-in. It is shown that an increase in the quality factor reduces the above parameters, and the criterion itself is a measure of the potential ability of a tribosystem to adapt (adapt) to operating conditions. Key words: tribosystem, modeling, wear rate, frictional force, material compatibility, the quality of the tribosystem, the cri- terion for the quality factor of the tribosystem. References 1. Vojtov V.A., Zakharchenko M.B. Modelirovaniye protsessov treniya i iznashivaniya v tribosistemakh v usloviyakh granichnoy smazki. Chast' 3. Dobrotnost' tribosistemy. Problemi tribologíí̈. 2015. - № 3. S. 45-53. 2. Nekotorye aspekty sovmestimosti materialov pri trenii. I. Podpoverhnostnye processy. N.M. Alek- seev, N.A. Bushe. Trenie i iznos. 1985. T. 6, № 5. S. 773 – 783. 3. Nekotorye aspekty sovmestimosti materialov pri trenii. II. Podpoverhnostnye processy. N.M. Alek- seev, N.A. Bushe. Trenie i iznos. 1985. T. 6, № 5. S. 965 – 974. 4. Nekotorye aspekty sovmestimosti materialov pri trenii. III. Mikroprocessy mehanicheskoj frikcionnoj prisposablivaemosti. N.M. Alekseev, N.A. Bushe. Trenie i iznos. 1987. T. 8, № 5. S. 197 – 205. 5. Bushe N.A. Reshennye i peremennye zadachi po sovmestimosti tribosistem. Trenie i iznos. 1993. T. 14, № 1. S. 25 – 34. 6. Krishtal M.A., Piguzov Ju.V., Golovin S.A. Vnutrennee trenie v metallah i splavah. M. Metallur- gija, 1964. 245 s. 7. Postnikov V.S. Vnutrennee trenie v metallah. M. Metallurgija, 1974. 352 s. 8. Shevelja V.V. Reologija iznosostojkosti i sovmestimosti par trenija. Trenie i iznos. 1993. T. 14, № 1. S. 48-63. 9. Shevelja V.V., Trytek A. Reologija vizkouprugogo frikcionnogo kontakta. Problemy tribologii. 2010. № 4. S.6-16. 10. Shevelja V.V., Oleksandrenko V.P. Tribohimija i reologija iznosostojkosti. Hmel'nickij: HNU, 2006. 278 s. 11. Shevelja V.V., Vojtov V.A., Suhanov M.I., Isakov D.I. Zakonomernosti izmenenija vnutrennego trenija v processe raboty tribosistemy i ego uchet pri vybore sovmestimyh materialov. Trenie i iznos. 1995. T. 16, №4. S. 734-744. 12. Printsipy konstruktivnoy iznosostoykosti uzlov treniya gidromashin. V.A. Voytov, O.M. Yakhno, F.KH. Abi Saab. K. Nats. tekhn. un-t «Kiyev. politekhn. in-t», 1999. 190 s. 13. Vojtov V.A., Zakharchenko M.B. Modelirovaniye protsessov treniya iznashivaniya v tribosistemakh v usloviyakh granichnoy smazki. Chast' 1. Raschet skorosti raboty dissipatsii v tribosistemakh. Problemi tribologíí̈. 2015. № 1. S. 49-57.