книги из ГПНТБ / Комбалов, В. С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ

Глава V

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАВНОВЕСНОЙ ШЕРОХОВАТОСТИ

§ 1. Общие замечания по постановке эксперимента

Как было показано в § 3 гл. IV [формулы (IV.21), (IV.30)], ве­ личина критерия шероховатости А на соприкасающихся поверх­ ностях после приработки пары трения зависит от условий на­ гружения, физико-механических свойств поверхностей и условий молекулярного взаимодействия между трущимися поверхно­ стями.

Для проверки предложенных формул необходимо экспери­ ментально оценить влияние контурного давления Рс, физико-ме­ ханических свойств Г и условий молекулярного взаимодействия т0 на величину А и характер установившихся шероховатостей поверхностей.

Для принятой нами расчетной модели упругого контакта ис­ следовалась равновесная шероховатость на более твердом контртеле пары, в частности на металлических поверхностях. Контртелом служили материалы, модуль упругости которых на­ много меньше модуля упругости стали, поэтому шероховатость поверхностей более мягких материалов не изучалась.

Пара трения с фиксируемой исходной шероховатостью А бо­ лее твердого контртела прирабатывается при фиксированных режимах нагрузки, скорости скольжения, силы трения, темпера­ туры. Критерием оценки приработки является установление по­ стоянных силы (коэффициента) трения и температуры, а также

верхности снимается профилограмма в направлении, перпенди­ кулярном к направлению движения. Кроме того, определяется критерий Ra по ГОСТу 2789—59.

Проведение эксперимента по изучению влияния давления на установление равновесной шероховатости А при прочих неиз­ менных заданных условиях не вызывает существенных трудно­ стей, а определение влияния физико-механических свойств ма­ териалов несколько затруднительно. Если, например, варьиро­ вать модуль упругости £, скажем, набором различных истира­ ющих металлическую поверхность материалов или повышением температуры в зоне трения пары, то при постоянной выбран­ ной нагрузке и скорости скольжения молекулярное взаимодей-

61

ствие контактирующих пар (величина т0) будет различно, как различен и коэффициент трения для этих материалов. Следова­ тельно, представляется возможным определить отдельно влия-

ление равновесной шероховатости. При этом, несмотря на зна­ чительное различие модулей упругости материалов, указанное отношение может изменяться незначительно.

В процессе эксперимента регистрируются сила (коэффици­ ент) трения для приработанного состояния поверхностей, тем­ пература на поверхности трения и контурная площадь касания. По профилограммам рассчитывается критерий Л и измеряется величина Ra по показанию профилографа-профилометра «К а­ либр-201». Строятся графики зависимости величины критерия равновесной шероховатости А от контурного давления Рс и от

ставления эксперимента с расчетом. В некоторых случаях воз­ можна проверка формулы по параметру т0 при постоянных зна­ чениях Рс и Е (вариация смазок).

Выбор материалов, исходной шероховатости и нагрузки.

Формула (IV.30) получена для случая упругого контактирова­ ния материалов, поэтому выбор материалов, нагрузок и исход­

В качестве более твердого материала выбрана сталь 45 с твер­ достью НВ = 92-у95.

И с х о д н а я ш е р о х о в а т о с т ь м е т а л л и ч е с к о й п о ­ в е р х н о с т и . Для ускорения процесса приработки пары трения поверхность образцов после токарной обработки подготавлива­ лась плоским шлифованием по V7, затем притиралась на при­ тирочной плите мелким абразивным порошком с маслом «Ав­ тол 10».

Ниже приведены параметры исходной шероховатости по­

62

ти и температуры. На фиг. 26 приведен график зависимости мо­ дуля упругости от температуры для полимеров, где 1 — поли­ формальдегид; 2 — полиметилметакрилат, по данным '[106]; 3 — полиформальдегид; 4 — технический капрон; 5 — фторопласт-4, по данным [65] .Этот график используем при расчете. Это важ ­ ное обстоятельство вынуждает контролировать температуру в зоне контакта. Изменяя температуру, можно управлять механи­ ческими свойствами материала.

63

В ы б о р н а г р у з к и . Для заданных исходной шероховато­ сти металлического контртела и физико-механических свойств из­ нашивающего сталь полимера с помощью формулы (V.1) опре­ деляется предельное значение удельной нагрузки, обеспечиваю­ щей упругое взаимодействие на контакте в начале испытания. В процессе приработки при постоянной нагрузке шероховатость металлического контртела, как правило, уменьшается, что при­ водит к более благоприятному условию работы пары трения. Исходя из этих соображений, мы рассчитали предельные значе­ ния удельных давлений для выбранных полимерных материалов

табл. 20.

На основании проведенного расчета задается диапазон ра­ бочих давлений для перечисленных выше пар трения, на кото­ рых производится приработка образцов.

§ 2. Экспериментальные установки, образцы

Экспериментальное определение установления величины равно­ весной шероховатости А выполнялось в Институте машиноведе­ ния (лаборатория теории трения) на машине трения типа И-47, а также в Научно-исследовательском институте резиновой про­ мышленности совместно с С. Л. Рыбаловым [39] на машине трения И-47-К-54. Подробное описание машины И-47 приведе­ но в работах [51, 52]. На машине И-47 испытания проводились при температурах от 10 до 60° С с охлаждением образцов, что особенно важно при испытании пар трения металл — полимер, ибо, как указывалось выше, механические свойства полимеров зависят от температуры.

На модернизированной машине трения И-47-К-54 испытания проводились с терморегулированием процесса трения в обла­ сти высоких температур до + 3 0 0 °С, на парах трения металл — резина. Эксперименты на указанных выше машинах прово­ дились по схеме торцового трения. Машины И-47 и И-47-К-54 дают возможность проводить испытания в широком интервале скоростей и нагрузок при наличии различных смазок.

Модернизированная машина И-47-К-54 отличается от маши­ ны И-47 пневматическим нагружающим устройством, наличием автоматической терморегулирующей системы и конструкцией испытательных головок с исследуемыми образцами. Подробное описание машины дано в [87].

На фиг. 27 приведены общий вид машины (а), общий вид (б) и схема (в), термоохлаждающей головки (б) для модерни­ зированной машины И-47, где 1 — металлический образец, 2 —

64

8АНЧ-7М и записывается на диаграммную ленту самописца ПСР-1-02.

При расчете момента трения предполагается, что суммарный момент трения складывается из элементарных моментов сил,, действующих на участках фактического контакта:

Упрощенно предполагалось, что в каждой точке контакта дей­ ствуют усредненные касательные напряжения тп; изменением dxn в пределах элементарной площадки пренебрегаем.

Введя полярную систему координат с полюсом в центре дис­

Обработка экспериментальных данных заключается в опре­ делении параметра шероховатости Ra поверхности металличе­ ского образца после его приработки, снятии и обработке про­ филограмм, измерении силы трения на приработанной поверх­ ности при различных нагрузках, определении температуры на поверхности трения и физико-механических свойств (тр и Е ). Результаты обрабатывались методами математической стати­ стики.

Измерение температуры на поверхности трения. Температу­ ра на контакте трущихся поверхностей для пар металл — поли­ мер оказывает значительное влияние на изменение физико-ме­ ханических свойств полимера и на прочность молекулярной свя­ зи т0, что в конечном счете оказывает влияние на установление величины равновесной шероховатости приработанных поверхно­ стей. Поэтому эксперимент требует контроля и стабилизации

66

температуры. Экспериментальные установки снабжены измери­ тельной аппаратурой, а также устройствами для стабилизации температуры на поверхности трения.

Температура на поверхности трения измеряется термопарой типа ХК с диаметром проволок 0 = 0 ,3 мм. Диаметр головки термопары составлял 0,7 мм. Головка термопары вводилась под поверхность металлического образца, приваривалась к ней, пос­ ле чего поверхность образца шлифовалась до появления головки термопары на поверхности образца, что обеспечивало измерение температуры вблизи поверхности трения.

Измерительной аппаратурой служил потенциометрический мост типа ПСР-1-02 класс 0,5. В качестве охлаждающего аген­ та применялись либо охлажденный осушенный воздух (маши­

§ 3. Экспериментальное определение параметров to и р для приработанных поверхностей

Прочность молекулярной связи на сдвиг т0 и пьезокоэффициент упрочнения молекулярной связи р пары трения, ввиду отсут­ ствия расчетных методов, определяются экспериментально.

В лаборатории теории трения Института машиноведения К. С. Ляпиным {63, 73] проведена большая экспериментальная работа по определению величины т0 и р для некоторых чистых металлов, сплавов, полимеров при трении без смазки и с раз­ личными смазками. Значения т0 и р зависят от скорости отно­ сительного перемещения образцов, степени их очистки от все­ возможных загрязнений и адсорбированных на поверхностях пленок. На приработанных поверхностях всегда имеются плен­ ки и загрязнения, поэтому величины т0 и р необходимо опреде­ лять для реальной пары трения в условиях ее работы.

Для случая упругого контакта экспериментальное значение

Деформационная слагаемая коэффициента трения может быть рассчитана по формуле

или

%п — ■ Т 0 '\ ~ f t P f

Обычно для гладких поверхностей деформационная слагае­ мая мала по сравнению с молекулярной. Она составляет около 5—7% от суммарного коэффициента трения, так что при опреде­ лении коэффициентов т0 и р последней можно пренеб­

речь.

После приработки пары трения с заданной нагруз­ кой определяются необхо­ димые для последующего расчета величины Рг зна­ чения f, Е , р, A, v, kt. Затем для этой же приработан­ ной пары определяются зна­ чения коэффициента тре­ ния при нагрузках, меньших рабочей. Изменение нагру­ зок и замер коэффициента трения должны быть крат­ ковременными, чтобы ис­

ключить их влияние на изменение приработанной шероховато­ сти и температуры. На фиг. 28 приведен график зависимости

Фиг. 29

68

* Давление Р с во всех парах 1 рения было одинаковым — 7,7 кг{см г.

к оси координат, а коэффициент р на оси ординат при х = 0. Рассчитаем значения РГ1соответствующие выбранным нагрузкам в эксперименте по формуле (V. 11), и определим величины т0 и р уравнения у = х 0х + $ путем экстраполяции до х = 0 .

На фиг. 29 приведены графики экстраполированных значений

' § 4. Влияние нагрузки на установление равновесной шероховатости металлической поверхности

Как было показано ранее, при установившейся на поверхности трения шероховатости зависимость критерия А от нагрузки име­ ет вид степенной функции с отрицательным показателем степени,

69

меньшим единицы [формулы (IV.30)]. Это соотношение про­ верялось экспериментально (серия I). Пара трения, более мяг­ кое контртело которой характеризуется постоянными значениями [I, Е, р и т0, при одинаковых скорости и температуре среды при­ рабатывается при различных нагрузках. Во время приработки, в результате изменения шероховатости, меняется фактическое давление Рг, которое впоследствии также достигает своего уста­ новившегося значения. Таким образом, будем считать, что вели­ чины j l ,i £ , р, т0, Рг, v постоянны при установившемся режиме трения для данной пары.

Тогда можно написать:

где с — некоторая постоянная пары трения. Логарифмируя вы­ ражение (V. 12), получим

грамме, снятой с исследуемой поверхности, или рассчитывается по формуле (III.11), связывающей комплексный критерий Д с гостированной величиной Ra, которая также определяется экспе­ риментально как среднее значение из 20 измерений.

Построением графика в координатах «IgA — l g /^ о п р ед ел я ­ ется экспериментальный наклон прямой; тангенс угла наклона этой прямой к горизонтальной оси в формуле (V.13) позволяет определить степень 1/v. Используя полученное эксперименталь­ ное значение параметра v, производим расчет по формуле (IV.30) и сравниваем полученные результаты с эксперименталь­ ными.

Влияние нагрузки на установление величины шерохова­ тости Д определялось на парах трения сталь 45 — резина на ос­ нове совмещенных нитрильных каучуков СКН-18 + СКН-26. Здесь представлялось возможным исследовать влияние сравни­ тельно небольших удельных давлений (до 9 кг/см2).

Пара сталь 45 — резина СКН-18 + СКН-26. Испытания прово­ дились на модернизированной машине И-47-К-54 с коэффициен­ том взаимного перекрытия образцов /Свз=1 . Кольцевые образцы из стали 45 с твердостью HRC = 92-^95 прирабатывались по резиновым кольцевым образцам в условиях трения без смазки. Перед испытанием образцы тщательно промывались спиртом; металлические образцы протирались активированным углем с последующей протиркой спиртом.

Для отработки методики испытания сначала проводились без регулирования температуры, обусловленной выделением тепла на контакте за счет работы сил трения, в выбранном диапазоне нагрузок и при скорости скольжения, равной 1 м/сек.

70