Обоснование критериев оценки чувствительности и прирабатываемости трибосистем Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 17 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 ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ПРИРАБАТЫВАЕМОСТИ ТРИБОСИСТЕМ УДК 621.891 DOI:10.31891/2079-1372-2018-89-3-18-22 На основании анализа дифференциальных уравнений переходных процессов в трибосистеме обоснован критерий оценки чувствительности трибосистем к изменению внешних воздействий в процессе приработки и крите- рий прирабатываемости. Показано, что чем меньше значение критерия чувствительности, тем более устойчива три- босистема к внешним возмущениям и имеет меньшее время приработки. Обоснованы пути снижения критерия чув- ствительности, для этого необходимо увеличивать трибологические свойства смазочной среды, снижать шерохова- тость поверхностей трения и уменьшать скорость скольжения во время приработки. Обоснован критерий для оценки прирабатываемости трибосистем. Показано, что чем больше значение кри- терия прирабатываемости, тем меньше время приработки. Для этого необходимо уменьшать скорость скольжения и начальную шероховатость поверхностей трения при одновременном увеличении трибологических свойств смазоч- ной среды. Ключевые слова: трибосистема; моделирование; переходные процессы; приработка; чувствительность трибосистемы; прирабатываемость трибосистемы; время приработки. Актуальность проблемы Приработка трибосистем является завершающим технологическим этапом в процессе изготовле- ния или ремонта машин и, одновременно, начальным этапом эксплуатации. В процессе приработки фор- мируются несущие поверхностные слои трибосистем, обеспечивая в дальнейшем максимальный ресурс и минимальные потери на трение. В процессе приработки формируется оптимальная шероховатость со- пряжённых поверхностей в трибосистеме, а также активно протекают физико-химические явления, та- кие как тепловые, диффузионные, деформационные, которые имеют место в зоне трения в присутствии смазочных сред и окружающей среды. Существует большое количество параметров и критериев оценки эффективности приработки, основными из которых являются: время переходного процесса; износ за приработку; скорость изнашивания и коэффициент трения на установившемся режиме; максимальная эксплуатационная нагрузка и температура. Однако, по мнению автора работы [1], критерии оценки эф- фективности и качества процесса приработки требуют научного обоснования. Исходя из вышеизложенного, в данной статье будут рассмотрены вопросы обоснования и выбо- ра критериев оценки чувствительности трибосистем к изменению внешних воздействий, а также спо- собности трибосистем прирабатываться. Анализ публикаций посвященных данной проблеме Основными работами, в которых проведен системный анализ и комплексные исследования про- цессов приработки трибосистем, являются работы [1, 2]. Автором обоснован комплекс критериев прира- батываемости трибосистем, таких как предельно допустимый износ за приработку, стойкость к заеда- нию, фрикционная теплостойкость, несущая способность и долговечность по износу после завершения приработки. В последующих работах многими исследователями делается вывод о функциональной свя- зи прирабатываемости трибосистем и совместимости материалов в трибосистеме. Первыми работами, в которых дано определение совместимости материалов в узлах трения, являются работы [3, 4]. В данных работах предлагается оценку совместимости материалов в узлах трения выполнять по следующим коли- чественным показателям: минимальная вероятность задира; минимальная интенсивность изнашивания; максимальная усталостная прочность и максимальная эффективность преобразования энергии. Авторами работы [5], которая посвящена обзору показателей (критериев) совместимости мате- риалов в трибосистемах, делается вывод, что критериями совместимости являются: температурный кри- терий; реакция трибосистемы на изменение режима трения; интенсивность изнашивания; энергетические показатели. Обобщающим документом, регламентирующим показатели приработки трибосистем, является стандарт [6]. Согласно данного стандарта приработку оценивают следующими показателями: износ за приработку; максимальная скорость изнашивания во время переходного процесса; установившаяся ско- Обоснование критериев оценки чувствительности и прирабатываемости трибосистем Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 18 рость изнашивания после завершения переходного процесса; критическая нагрузка заедания; температу- ра; коэффициент трения; мощность трения; фрикционная теплостойкость. Подводя итог анализу работ, посвященных процессам приработки, можно сделать вывод, что но- визною данного исследования является обоснование критериев, которые оценивают чувствительность трибосистемы к изменению внешних воздействий, а также способность прирабатываться. Цель исследований Обоснование и выбор критериев оценки чувствительности трибосистем к изменению внешних воздействий, а также их способности прирабатываться. Методический подход в проведении исследований В работе [7] разработана математическая модель динамики переходных процессов скорости из- нашивания и коэффициента трения в трибосистемах. Получены уравнения динамики переходных про- цессов в виде дифференциальных уравнений из решений которых следует, что переходный процесс в трибосистеме описывается колебательными звеньями второго порядка. Установлено, что характер про- текания переходного процесса после приложения к трибосистеме входного воздействия зависит от ко- эффициентов усиления К1 и К2. Согласно работы [7] физический смысл коэффициента усиления К1 – это реакция трибосистемы на внешнее входное воздействие (нагрузку, скорость скольжения, трибологические свойства смазочной среды), т.е. чувствительность трибосистемы, безразмерная величина. Под чувствительностью будем понимать способность трибосистемы реагировать на изменение внешних воздействий, изменяя при этом скорость изнашивания и коэффициент трения, а также количе- ственную оценку этой способности. Согласно полученным дифференциальным уравнениям в работе [7] коэффициент усиления К1 представлен выражением:        нп упрф прфпкфпк ЕaК Q К 2 44 1 102102  , (1) где σфпк – напряжение на фактических пятнах контакта, Па, определяется по формулам, пред- ставленным в работе 8; Q – добротность трибосистемы, определяется по формулам, представленным в работе 9; έпр – приведенная скорость деформации в подповерхностных слоях материалов трибосистемы, 1/с, определяется по формулам, представленным в работе 8; Кф – коэффициента формы трибосистемы, рассчитывается по формуле [8]; апр, Еу – приведенный коэффициент температуропроводности, м2/с, трибологические свойства смазочной среды, Дж/м3, [8]; δп, δн – реологические свойства структуры материалов подвижного и неподвижного трибоэле- ментов, безразмерная величина, учитывает внутреннее трение структуры материала [8]. Чем меньше значения коэффициента усиления К1, тем менее чувствительна трибосистема к из- менению внешних воздействий (нагрузка, скорость скольжения, смазочная среда) во время работы. И на- оборот, большие значения коэффициента К1 (чувствительная трибосистема), характерны для высокой скорости изнашивания, высоких значений коэффициентов трения и возникновения задиров. Согласно ДСТУ 2823-94, а также ГОСТ ИСО 4378-1-2001 под прирабатываемостью трибосисте- мы понимается процесс изменения шероховатости поверхностей трения и структуры материалов по- верхностных слоев, которые приводят к снижению скорости изнашивания и коэффициента трения и их стабилизацию на определенном уровне. Время стабилизации параметров называют время приработки. Согласно полученным дифференциальным уравнениям в работе [7] коэффициент усиления К2 характеризует способность трибосистемы изменять шероховатость и структуру поверхностных слоев при изменении внешних условий и представлен выражением: )(130130 22 2 нппр фпк нп упрф тр фпкпр WW dЕaК W daQ К           , (2) где dфпк – диаметр фактического пятна контакта, м, определяется по формулам, представленным в работе 8; Обоснование критериев оценки чувствительности и прирабатываемости трибосистем Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 19 Wтр, Wп, Wн, – скорость работы диссипации в трибосистеме, подвижном и неподвижном трибо- элементе, Дж/с, рассчитывается согласно формул, которые приведены в работе [8]. Коэффициент усиле- ния К2 – безразмерная величина. Чем больше значения коэффициента усиления К2, тем лучше прирабатываемость трибосистемы. Результаты моделирования Результаты моделирования изменения коэффициента К1, выражение (1), от основных парамет- ров, которые влияют на процесс приработки, представлены на рис. 1. Анализ полученных кривых позво- ляет утверждать, что на чувствительность трибосистемы к изменению внешних воздействий, в первую очередь, оказывает влияние шероховатость поверхностей трения, затем, в порядке уменьшения влияния – скорость скольжения, а затем смазочная среда. Нагрузка на трибосистему оказывает влияние в незна- чительной степени. При этом увеличение шероховатости поверхностей трения Rа и скорости скольже- ния υскл повышает чувствительность трибосистемы к внешним воздействиям, что будет приводить к за- бросам скорости изнашивания и коэффициента трения во время приработки, тем самым способствовать увеличению времени приработки. Увеличение трибологических свойств смазочной среды Ey способствует снижению чувствитель- ности, а следовательно, будет снижать забросы скорости изнашивания и коэффициента трения во вре- мени приработки. Рис. 1 – Зависимости изменения коэффициента К1 от трибологических свойств смазочной среды, нагрузки, скорости скольжения и шероховатости поверхностей трения Степень влияния чувствительности трибосистемы на время приработки представлена зависимо- стями на рис. 2. Как следует из представленных результатов для параметра скорости изнашивания суще- ствует оптимальное значение К1 = 3 … 4. Дальнейшее увеличение К1 будет вызывать увеличение време- ни приработки по параметру скорости изнашивания. При этом, увеличение К1 снижает время приработ- ки по параметру коэффициента трения. Теоретические зависимости представленные на рис. 2 были проверены экспериментально. Для экспериментальных исследований были выбраны лабораторные трибосистемы для машины трения УМТ-1: сталь 40Х ( подвижный трибоэлемент, внутреннее трение структуры материала δп = 2644) + Бр. АЖ 9-4 (неподвижный трибоэлемент δн = 3494) и трибосистема сталь 40Х + сталь 40Х. Коэффициент формы Кф = 1,6 … 18,5 1/м. Смазочная среда – моторное масло М - 10Г2к, трибологические свойства Еy = 3,6 · 1014 Дж/м3. Температуропроводность стали ап = 1,27 ∙ 10-5 м2/с, температуропроводность брон- зы ап = 2,1 ∙ 10-5 м2/с, шероховатость поверхностей трения, Ra = 0,2 мкм. Рядом с теоретическими кривыми на рис. 2 нанесены экспериментальные точки и рассчитана от- носительная ошибка моделирования, которая составляет: et = 7,9 … 9,0%. Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что коэффициент усиления К1 может выступать безразмерным критерием чувствительности трибосистемы к изменению внешних воздействий Обоснование критериев оценки чувствительности и прирабатываемости трибосистем Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 20 во время приработки. Чем меньше значение К1, тем более устойчивая трибосистема к внешним возму- щениям. Рис. 2 – Зависимости изменения времени приработки по параметру скорости изнашивания и коэффициента трения от величины критерия чувствительности трибосистемы К1 На основании зависимостей представленных на рис. 1, можно разработать мероприятия по сни- жению критерия чувствительности К1. Для этого необходимо увеличивать трибологические свойства смазочной среды, снижать шероховатость поверхностей трения и снижать скорость скольжения во время приработки. Параметр нагрузки N, как следует из рис. 1, не оказывает значительного влияния на измене- ние критерия чувствительности К1. Результаты моделирования изменения коэффициента К2 от основных параметров, которые влия- ют на процесс приработки, представлены на рис. 3. Анализ полученных зависимостей позволяет утвер- ждать, что на прирабатываемость трибосистем при изменении внешних воздействий, в первую очередь, оказывает влияние скорость скольжения и начальная шероховатость поверхностей трения и в меньшей степени – смазочная среда. Нагрузка не оказывает влияния на изменение коэффициента К2. Рис. 3 – Зависимости изменения коэффициента К2 от трибологических свойств смазочной среды, нагрузки, скорости скольжения и шероховатости поверхностей трения Функциональная связь коэффициента К2 и времени приработки трибосистем представлена на рис. 4. Рядом с теоретическими кривыми приведены экспериментальные точки для различных трибоси- стем, имеющих разные значения К2. Относительная ошибка моделирования et = 8,4 … 9,5 %. На основании полученных зависимостей можно сделать вывод, что коэффициент К2 имеет ми- нимальные значения для высших кинематических пар. При переходе к низшим кинематическим парам отмечается незначительный рост времени приработки при увеличении К2. Это можно объяснить увели- чением размеров рабочих площадей трения у подвижного и неподвижного трибоэлементов. При этом, увеличение значения К2 > 250 … 300 положительного эффекта не приносит. Обоснование критериев оценки чувствительности и прирабатываемости трибосистем Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 21 Рис. 4 – Зависимости изменения времени приработки по параметру скорости изнашивания и коэффициента трения от величины критерия прирабатываемости трибосистемы К2 Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что коэффициент К2, формула (2), может выступать в качестве безразмерного критерия прирабатываемости трибосистем. Для улучшения прирабатываемости трибосистем (увеличения коэффициента К2) необходимо уменьшать скорость сколь- жения и начальную шероховатость поверхностей трения при одновременном увеличении трибологиче- ских свойств смазочной среды. Изменяя данные параметры можно управлять процессом приработки, обеспечивая tпр → min. Выводы 1. Теоретическим путем, на основании анализа дифференциальных уравнений переходных про- цессов в трибосистеме, обоснован критерий оценки чувствительности трибосистем к изменению внеш- них воздействий в процессе приработки – К1. Установлена взаимосвязь между временем приработки и критерием чувствительности. Показано, что чем меньше значение критерия К1, тем более устойчива три- босистема к внешним возмущениям и имеет меньшее время приработки. Обоснованы пути снижения критерия чувствительности, для этого необходимо увеличивать трибологические свойства смазочной среды, снижать шероховатость поверхностей трения и уменьшать скорость скольжения во время прира- ботки. Установлено, что параметр нагрузки не оказывает значительного влияния на изменение критерия чувствительности. 2. Обоснован критерий для оценки прирабатываемости трибосистемы К2. Установлено, что на прирабатываемость трибосистемы оказывает влияние скорость скольжения, начальная шероховатость поверхностей трения и смазочная среда. Показано, что для улучшения прирабатываемости трибосистем (увеличение критерия К2), необходимо уменьшать скорость скольжения и начальную шероховатость по- верхностей трения, при одновременном увеличении трибологических свойств смазочной среды. Литература 1. Карасик И.И. Прирабатываемость, закономерности и методы оценки влияния приработки и изна- шивания на триботехнические характеристики опор скольжения: Автореф. дисс....д-ра техн. наук,1983. – 38 с. 2. Карасик И.И. Прирабатываемость материалов для подшипников скольжения. – М.: Наука. – 1978. – 136 с. 3. Буше Н.А. Об исследованиях в области оценки совместимости трущихся пар // Проблемы тре- ния и изнашивания: – К.: Техника, 1971. – Вып.1. – С. 17-21. 4. Буше Н.А., Копытько В.В. Совместимость трущихся поверхностей. – М.: Наука, 1981. – 126 с. 5. Захаров С.М., Горячева И.Г. Об оценке совместимости трибосистем по различным показателям и методам (к 100-летию со дня рождения Н.А. Буше) / Вестник ВНИИЖТ. – 2016. – Т. 75. – № 5. – С. 263-270. 6. ГОСТ Р 50740-95 Триботехнические требования и показатели. Принципы обеспечения. Общие положения. Принят и введен в действие Госстандартом России от 13.02.95 № 50. 7. Войтов В.А., Бекиров А.Ш. Математическая модель переходных процессов в трибосистемах и результаты моделирования / Проблеми трибології. – 2018. – № 1. – С. 18-27. 8. Войтов В.А., Захарченко М.Б. Моделирование процессов трения изнашивания в трибосисте- мах в условиях граничной смазки. Часть 1. Расчет скорости работы диссипации в трибосистемах // Про- блеми трибології. – 2015. – № 1. – С. 49-57. 9. Войтов В.А., Бекиров А.Ш., Войтов А.В. Критерий оценки добротности трибосистем и его связь с трибологическими характеристиками / Проблеми трибології. – 2018. – № 2. – С. 35-42. Надійшла в редакцію 04.09.2018 Обоснование критериев оценки чувствительности и прирабатываемости трибосистем Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 22 Vojtov V.A., Biekirov A.Sh., Voitov A.V. Justification of criteria for estimation of sensitivity and drilling of tribosystems. Based on the analysis of differential equations of transient processes in the tribosystem, the criterion for estimating the sensitivity of tribosystems to changes in external influences in the process of run-in and the criterion of run-in. It is shown that the lower the value of the sensitivity criterion, the more stable the tribosystem to external disturbances and has a shorter run-in time. The ways of reducing the sensitivity criterion are justified, for this it is necessary to increase the tribological properties of the lubricating medium, to reduce the roughness of the friction surfaces, and to reduce the slip speed during overtaking. The criterion for estimating the workability of tribosystems is substantiated. It is shown that the greater the value of the criterion for the run-in, the shorter the running-in time. To do this, it is necessary to reduce the sliding speed and the initial roughness of the friction surfaces, while increasing the tribological properties of the lubricating medium. Key words: tribosystem; modeling; transitional processes; running-in; sensitivity of the tribosystem; trimability of the tribosystem; run-in time. References 1. Karasik I.I. Prirabatyvayemost', zakonomernosti i metody otsenki vliyaniya prirabotki i iznashivaniya na tribotekhnicheskiye kharakteristiki opor skol'zheniya: Avtoref. diss....d-ra tekhn. nauk,1983. 38 s. 2. Karasik I.I. Prirabatyvayemost' materialov dlya podshipnikov skol'zheniya. M. Nauka, 1978. 136 s. 3. Bushe N.A. Ob issledovaniyakh v oblasti otsenki sovmestimosti trushchikhsya par. Problemy treniya i iznashivaniya. Kiyev. Tekhnika, 1971. Vyp.1. S. 17–21. 4. Bushe N.A., Kopyt'ko V.V. Sovmestimost' trushchikhsya poverkhnostey. M. Nauka, 1981. 126 s. 5. Zakharov S.M., Goryacheva I.G. Ob otsenke sovmestimosti tribosistem po razlichnym pokazatelyam i metodam (k 100-letiyu so dnya rozhdeniya N.A.Bushe). Vestnik VNIIZHT, 2016, t.75, №5, s.263-270. 6. GOST R 50740-95 Tribotekhnicheskiye trebovaniya i pokazateli. Printsipy obespecheniya. Obshchiye polozheniya. Prinyat i vveden v deystviye Gosstandartom Rossii ot 13.02.95 № 50. 7. Vojtov V.A., Biekirov A.SH. Matematicheskaya model' perekhodnykh protsessov v tribosistemakh i rezul'taty modelirovaniya. Problems of tribology. 2018. № 1. S. 18-27. 8. Vojtov V.A., Zakharchenko M.B. Modelirovaniye protsessov treniya iznashivaniya v tribosistemakh v usloviyakh granichnoy smazki. Chast' 1. Raschet skorosti raboty dissipatsii v tribosistemakh. Problems of tribology. 2015. № 1. S. 49-57. 9. Vojtov V.A., Biekirov A.SH., Voitov A.V. Kriteriy otsenki dobrotnosti tribosistem i yego svyaz' s tribologicheskimi kharakteristikami. Problems of tribology. 2018. № 2. S. 35-42.