Визначення коефіцієнта впливу кооперативних мод на процес тертя в контактній динамічній системі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 62 Слащук В.О. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: slashchuk_viktor@ukr.net ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ВПЛИВУ КООПЕРАТИВНИХ МОД НА ПРОЦЕС ТЕРТЯ В КОНТАКТНІЙ ДИНАМІЧНІЙ СИСТЕМІ УДК 622-192:621:62-2:621.891 В роботі досліджено зміну коефіцієнта впливу нелокальних мод у процесі малоамплітудного тертя. Встано- влено, що при терті поверхонь генеруються кооперативні хвилі механічної системи, які здатні впливати на перехід енергії від однієї моди тертя до іншої, що суттєво змінює характер і інтенсивність зношування поверхонь. Наведено спосіб визначення коефіцієнта впливу нелокальних мод, що враховує гібридний характер наведених мод. Ключові слова: тертя, хвилі, петля гістерезису, коефіцієнт впливу кооперативних мод. Вступ Актуальною проблемою забезпечення надійності номінально-нерухомих з’єднань є фіксація процесів, що відбуваються у зоні контактування поверхонь. Зокрема, визначення фактичного стану пове- рхонь з’єднання без зупинки у роботу або розвантаження робочого вузла. На сьогоднішній час існує багато способів оцінки стану поверхонь тертя. Одним із основних ме- тодів є визначення площі контакту. За способом вимірювання площу можна визначати адгезійним мето- дом, фізико-хімічним, оптичним, електричним тощо. Також можна отримати деякі параметри стану три- бовузла аналізуючи петлю гістерезису (площа петлі, кут нахилу петлі тощо). Використання оптичного методу аналізу плями контакту має наступні переваги: - точність оцінки; - можливість використання комп’ютеризованих засобів оцінки. [1, 2] Недоліками є: - зупинка в роботі механічної системи; - застосування спеціалізованого обладнання. [1, 2] Проаналізувавши петлю гістерезису можна визначити кількість енергії, яка виділилась в контак- ті. Провівши аналіз форми петлі, визначають ділянки проковзування, коефіцієнт тертя або коефіцієнт проковзування [3, 4, 5]. При аналізі поверхонь тертя не враховуються наведені моди коливань механічної системи, які безпосередньо виникають у процесі роботи всієї системи. Особливістю прояву мод коливань є те, що во- ни не є сталими. В залежності від стану кожного елементу механічної системи проявляються «індивідуа- льні» моди, що змінюють свою частоту протягом усього часу роботи. Навіть у найпростішій механічній системі спостерігаються «гібридні(змішані)» частоти коливань [6]. Моди, що виникають у системі, формують певний кооператив, що утворює два, або три частотні кластери (низькочастотний, середньочастотний, високочастотний). Одним із найпростіших способів фік- сації всього спектру частот коливань є акустичний метод [7, 8, 9]. Методика дослідження Нормативною формою руху в даній системі є зворотно-поступальна форма контактного проков- зування, часткового або повного, Що, врешті, за великих амплітуд переходить в реверсивне тертя. Однак в умовах нескінченної кількості степенів вільності розподіленої системи тертя наводиться велика кіль- кість інших форм руху, які впливають на номінальну. Відповідно, це проявляється в «стохастизації» пет- лі гістерезису умовно овальної форми. Для аналізу стану трибовузла з урахуванням впливу кооперативних мод, які виникають в процесі роботи, запропоновано метод аналізу петлі гістерезису. Коефіцієнт впливу наведених мод на процес тертя розраховується за наступною формулою:   2/21 21 SS SS k    , (1) де 1S – площа описаного овала; 2S – площа вписаного овала. Візуально, формула розрахунку показана на рис. 1. Визначення коефіцієнта впливу кооперативних мод на процес тертя в контактній динамічній системі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 63 Рис. 1 – Розрахунок коефіцієнта впливу кооперативних мод: вісь F – сила тертя: δ – зміщення зразка Постановка експерименту Експерименти проводились на спеціалізованій установці для випробувань матеріалів в умовах динамічного контактного навантаження [10]. Робоча схема установки показана на рис. 2. Рис. 2 – Установка для випробувань матеріалів в умовах динамічного контактного навантаження Експеримент проводився за схемою «площина-кулька» (рис. 3). Зразок закріплювався у рухомій каретці, а кулька нерухомо зіщімлювалась у тензобалці. Рис. 3 – Схема трибо-вузла: P – притискне зусилля; T – рух зразка Рис. 4 – Моди, що виникають в контакті Форми руху (моди), що виникають в самому контакті показані на рис. 4. Вони проявляться у ви- гляді зміщення під певним кутом відносно заданого напрямку руху, перекосу відносно осі сили притис- кання, кручення навколо осі сили притискання, а також комбінації(гібридизації) всіх окремих мод, які входять у загальний кооператив мод механічної системи. Експерименти проводились із зразками сталі, твердого сплаву та напилень на основі алюмінію. Типи зразків наведені в табл. 1. Визначення коефіцієнта впливу кооперативних мод на процес тертя в контактній динамічній системі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 64 Таблиця 1 Зразки для експериментів № Назва Тип 1 4W4 Напилення 2 5W5 Напилення 3 6W6 Напилення 4 W15 Напилення 5 W16 Напилення 6 W17 Напилення 7 30ХГСА Конструкційна легована сталь 8 ВК6 Твердий спечений сплав Зразки 4W4, 5W5, 6W6, W15, W16, W17 – багатошарове лазерне наплавлення порошку AlSi30 на підкладку алюмінієвого сплаву АД31. Параметри наплавлення показані в табл. 2. Таблиця 2 Параметри зразків із напиленнямнаплавлення Назва Потужність напилення, Вт. Швидкість, м/хв Кількість порошок, г/хв Кількість шарів 4W4 112,5 12 0,15 2 5W5 112,5 12 0,15 20 6W6 112,5 12 0,15 30 W15 112,5 12 0,6 2 W16 112,5 12 0,6 20 W17 112,5 12 0,6 1 У якості контр-зразка використовувалась кулька ШХ15 діаметром 13 мм. Результати досліджень В ході проведення експериментів було встановлено, що петлі гістерезису, на основі яких вирахо- вується коефіцієнт k , мають або згладжену форму, або з великою кількістю викидів, що показано на ри- сунках 5-8. Згладжену форму мають петлі зразків 5W5(продовж всього часу експерименту), 4W4, ВК6 (до моменту поки кооператив мод не перевищує величину заданої моди руху зразка ≈6120000 циклів для 4W4 і ≈1800000 для ВК6). Петлі з викидами мають зразки 6W6, W15, W16, 30ХГСА (впродовж всього часу експерименту). Наявність викидів свідчить про підвищення впливу сторонніх мод над заданою, що, як правило, сприяє інтенсифікації процесу зношування. Також було встановлено, що напилення W15 зношується на протязі такого ж часу, що й зразок сталі 30ХГСА (720000 циклів W15 та 558000 циклів 30ХГСА). Плями контакту двох зразків показані на рис. 5. W15 30ХГСА Початок – до 100 циклів Початок – до 100 циклів Кінець – 720000 циклів Кінець – 558000 циклів Рис. 5 – Зношування зразків W15 та 30ХГСА Визначення коефіцієнта впливу кооперативних мод на процес тертя в контактній динамічній системі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 65 Напилення 4W4 зношувалось аналогічно із напиленням W16. Плями контакту двох зразків пока- зано на рис. 6. 4W4 W16 Початок – до 100 циклів Початок – до 100 циклів Кінець – 8640000 циклів Кінець – 8640000 циклів Рис. 6 – Зношування зразків 4W4 та W16 Напилення W17 зношувалось аналогічно із сплавом ВК6. Плями контакту двох зразків показано на рис. 7. W17 ВК6 Початок – до 100 циклів Початок – до 100 циклів Кінець – 8640000 циклів Кінець – 8640000 циклів Рис. 7 – Зношування зразків W17 та ВК6 Напилення 6W6 та 5W5 не зносились. Петлі гістерезису зразків 6W6 та 5W5 представлені на рис. 8. 6W6 5W5 Початок – до 100 циклів Початок – до 100 циклів Кінець – 11160000 циклів Кінець – 10440000 циклів Рис. 7 – Зношування зразків 6W6 та 5W5 Загальний графік зношування зразків через розрахований коефіцієнт k показаний на рис. 9. Визначення коефіцієнта впливу кооперативних мод на процес тертя в контактній динамічній системі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 66 Рис. 9 – Графік зношування всіх зразків Стійкість зразків із напиленням суттєво залежить від швидкості подачі порошку і кількості на- пилених шарів. Варіацією останніх можна на порядок підняти стійкість поверхневих шарів до зношуван- ня при малоамплітудному фретингу. Аналіз результатів та висновки Описаний спосіб аналізу петель гістерезису не потребує зупинок у роботі механічної системи для зняття показників, аналіз петель простий у розрахунку. У ході експериментів було встановлено, що контури петель гістерезису можуть мати як згладже- ну форму, так і велику кількість викидів. Реальна динамічна контактна взаємодія відрізняється від кінематичної взаємодії наявністю наве- дених форм руху, які утворюють певний динамічний кооператив форм руху, впливаючи на характер тер- тя, що виявляється через коефіцієнт k . На завершальній стадії зношування інтенсифікується прояв сторонніх наведених мод. Він кількі- сно проявляється в рості коефіцієнта k у 2 - 3 рази. Це говорить про якісну зміну характеру динамічної взаємодії, коли ненормативні моди за величиною порівнянні із основною (заданою). Проведена модифікація поверхонь здатна на порядок збільшити ресурс (тривалість) роботи но- мінально-нерухомого фрикційного з’єднання. Але підбір параметрів модифікації необхідно базувати на експериментальних дослідженнях. Література 1. Слащук В.О., Слащук О.О. Аналіз плям фретинг-контакту двох спряжених поверхонь на осно- ві спеціалізованого програмного забезпечення. – Вісник Хмельницького національного університету. Те- хнічні науки. – № 6. – 2015. – С. 19-23. 2. Холявко В. В., Владимирський І. А., Жабинська О. О. Фізичні властивості та методи дослі- дження матеріалів. – К. : Центр учбової літератури. – 2016. – С. 23-60. 3. Шалапко Ю.І. Еволюційні моделі фретинг-процесу у номінально-нерухомому фрикційному контакті : Дис. д-ра наук: 05.02.04 – 2009. 4. Тарасова, Т. В. Износостойкость в условиях абразивного изнашивания и фреттинга образцов из жаропрочного кобальтового сплава, полученных методом селективного лазерного плавления / Т. В. Тарасова, А. П. Назаров, Ю. И. Шалапко // Трение и износ. – 2014. – Т. 35, № 5. – С. 546-556. 5. Слащук В.О., Слащук О.О. Визначення кількісних характеристик процесу тертя в режимі ре- ального часу // Міжвузівський збірник "Наукові нотатки". – Луцьк, 2016. – № 54. – С. 293-297. 6. Слащук В.О., Заспа Ю.П. Порушення цілісності номінально-нерухомого контакту при тепло- вому розширенні // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – Хмельницький національний універ- ситет. – 2016. – №2. – С. 52-58. 7. A.V. Dykha, Yu.P. Zaspa, V.O. Slashchuk. Triboacoustic Control of Fretting. Trenie i Iznos, 2018, Vol. 39, No. 2, pp. 213–216. 8. Слащук В.О., Слащук О.О. Акусто - емісійний аналіз перехідних процесів роботи двигуна внутрішнього згорання // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2016. – № 3. – С. 52-58. 9. Слащук В.О. Слащук О.О., Заспа Ю.П. Контактна генерація електромагнітного поля та внут- рішніх хвиль в процесі токарної обробки сталей // Міжвузівський збірник "Наукові нотатки" (Технічні науки). – Луцьк. – № 58. – С. 284-288. 10. Установка для випробувань матеріалів в умовах динамічного контактного навантаження: Па- тент на корисну модель №94006, Україна u 2014 04758; заяв. 27.05.2014, опубл. 27.10.2014, Бюд. №20. Курской В.С., Слащук В.О., Слащук О.О. Надійшла в редакцію 21.06.2018 Визначення коефіцієнта впливу кооперативних мод на процес тертя в контактній динамічній системі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 67 Slashchuk V.O. Definition of the coefficient of effect for cooperative modes for friction process in the contact dynamic system. In this paper, the change in the coefficient of influence of nonlocal modes in the process of low-amplitude friction is investigated. It is established that when friction surfaces are generated waves of the mechanical system, which can affect the transition of energy from one mode friction to another, which significantly changes the nature and intensity of wear of surfaces. The method of determining the coefficient of influence of nonlocal modes is given, taking into account the hybrid nature of these mods. Actual of the problem of ensuring the reliability of nominally-immovable connections is to fix the processes occurring in the contact area of the surfaces. In particular, the determination of the actual state of the connection of the connection without stopping the work or unloading the workstation. The described method of analysis of hysteresis loops does not require stopping of the mechanical system for the removal of indicators, the analysis of loops is easy to calculate. The real dynamic contact interaction differs from the kinematic interaction by the presence of the given modes of motion, which form a certain dynamic cooperative form of motion, affecting the nature of the teeth, which is manifested through the coefficient. The real dynamic contact interaction differs from the kinematic interaction by the presence of the given modes of motion, which form a certain dynamic cooperation. At the final stage of wear, the manifestation of third-party mods is intensified. He quantitatively manifests itself in the growth of the factor of 2-3 times. This indicates a qualitative change in the nature of the dynamic interaction, when the non-standard modes in magnitude are compared with the main (given). The modification of surfaces is capable of increasing the resource (duration) of a non-mortar immobile friction connection by an order of magnitude. But the selection of modification parameters must be based on experimental studies. Key words: friction, waves, hysteresis loop, the coefficient of effect for cooperative modes. References 1. Slashchuk V.O., Slashchuk O.O. Analiz pliam fretynh-kontaktu dvokh spriazhenykh poverkhon na osnovi spetsializovanoho prohramnoho zabezpechennia. Visnyk Khmelnytskoho natsionalnoho universytetu. Tekhnichni nauky. №6, 2015. st. 19-23. 2. Kholiavko V. V., Vladymyrskyi I. A., Zhabynska O. O. Fizychni vlastyvosti ta metody doslidzhennia materialiv. Navchalnyi posibnyk. Kyiv, Tsentr uchbovoi literatury. 2016. St. 23-60. 3. Shalapko Yu.I. Evoliutsiini modeli fretynh-protsesu u nominalno-nerukhomomu fryktsiinomu kon- takti : Dys. d-ra nauk: 05.02.04. 2009. 4. Tarasova, T. V. Yznosostoikost v uslovyiakh abrazyvnoho yznashyvanyia y frettynha obraztsov yz zharoprochnoho kobaltovoho splava, poluchennыkh metodom selektyvnoho lazernoho plavlenyia. T. V. Ta- rasova, A. P. Nazarov, Yu. Y. Shalapko. Trenye y yznos. 2014. T. 35, № 5. S. 546-556. 5. Slashchuk V.O., Slashchuk O.O. Vyznachennia kilkisnykh kharakterystyk protsesu tertia v rezhymi realnoho chasu. Mizhvuzivskyi zbirnyk "Naukovi notatky". Lutsk, 2016. Vypusk № 54. St. 293-297. 6. Slashchuk V.O., Zaspa Yu.P. Porushennia tsilisnosti nominalno-nerukhomoho kontaktu pry teplo- vomu rozshyrenni. Problemy trybolohii (Problems of Tribology), Khmelnytskyi natsionalnyi universytet, 2016, №2, st. 52-58. 7. A.V. Dykha, Yu.P. Zaspa, V.O. Slashchuk. Triboacoustic Control of Fretting. Trenie i Iznos, 2018, Vol. 39, No. 2, pp. 213–216. 8. Slashchuk V.O., Slashchuk O.O., Akusto - emisiinyi analiz perekhidnykh protsesiv roboty dvyhuna vnutrishnoho zghorannia Problemy trybolohii (Problems of Tribology) 2016, № 3, st. 52-58. 9. Slashchuk V.O. Slashchuk O.O., Zaspa Yu.P. Kontaktna heneratsiia elektromahnitnoho polia ta vnu- trishnikh khvyl v protsesi tokarnoi obrobky stalei. Mizhvuzivskyi zbirnyk "Naukovi notatky" (Tekhnichni nauky) Vypusk 58, Lutsk 2017. S. 284-288. 10. Ustanovka dlia vyprobuvan materialiv v umovakh dynamichnoho kontaktnoho navantazhennia: Patent na korysnu model №94006, Ukraina u 2014 04758; zaiav. 27.05.2014, opubl. 27.10.2014, Biud. №20. Kurskoi V.S., Slashchuk V.O., Slashchuk O.O.