лекции_1 / Лекция 5_Тепловые процессы при трении
.pdf
составляет 89 кГц и практически не зависит от номинального давления, скорости, коэффициента трения, а определяется размерами и механическими характеристиками материала образца. На рис. 5 представлены зависимости амплитуды колебаний температуры от скорости контртела. Хорошо видно, что для коэффициентов трения к1, к3, к4 при скорости контртела ≈ 8м/с амплитуда колебаний температуры в поверхностном слое достигает максимума, а затем уменьшается с дальнейшим ростом скорости. Это обусловлено снижением тепловыделения на поверхности трения, во-первых, из-за уменьшения времени взаимодействия пятна контакта с контртелом вследствие повышения скорости, а вовторых, падающими зависимостями коэффициентов трения к1, к3, к4 от скорости. Коэффициент трения к2 при скольжении не зависит от скорости, поэтому только первый фактор влияет на амплитуду температуры, незначительно снижая скорость ее роста.
|
500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
k1 |
1200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k2 |
|
800 |
|
|
|
|
|
k4 |
|
300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. 600 |
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
всп |
|
|
|
|
|
k3 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
T |
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k4 |
|
|
400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
|
10 |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
||||||
|
1 |
|
|
Vк , м/с |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
V, м/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 5. Зависимость амплитуды колебаний |
Рис. 6. Зависимость температуры вспышки от |
||||||||||||||||
температуры от скорости контртела для |
скорости |
контртела |
|
для |
различных |
||||||||||||
различных коэффициентов трения (материал – |
коэффициентов |
трения |
(материал |
– |
сталь, |
||||||||||||
сталь, Pном=5МПа, L=100мкм) |
|
|
|
|
Pном=5МПа, L=100мкм) |
|
|
|
|
||||||||
|
|
На рис. 6 приведена зависимость максимального |
значения |
Tвсп |
от скорости |
контртела |
для |
||||||||||||||
различных коэффициентов трения на пятне контакта, размером 100 мкм, при номинальном давлении 5 |
|||||||||||||||||||||
МПа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Температура вспышки в значительной мере определяется величиной коэффициента трения, что |
|||||||||||||||||||
подтверждается взаимным расположением температурных кривых на рис. 6. Сравнение кривых |
Tвсп(к1), |
||||||||||||||||||||
Tвсп(к2), Tвсп(к3) показывает, что во всем интервале скоростей более высокие значения величины |
|||||||||||||||||||||
температурной вспышки соответствуют и более высоким значениям коэффициента трения. |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
Вместе с тем, характер зависимости коэффициента трения от скорости скольжения также влияет на |
|||||||||||||||||||
температурный режим трения. Это видно из сравнения поведения кривых |
Tвсп(к2) и |
Tвсп(к4). |
|
|
|||||||||||||||||
|
1000 |
|
|
|
|
|
|
Как и следовало ожидать, температура вспышки |
|||||||||||||
|
|
800 |
|
|
|
|
|
5 |
увеличивается с ростом скорости контртела, причем для |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
4 |
постоянного значения коэффициента трения выполняется |
|||||||||||||
, K |
|
600 |
|
|
|
|
|
линейная |
зависимость. |
Минимальный |
рост |
Tвсп |
|||||||||
всп. |
|
|
|
|
|
3 |
наблюдается |
для |
коэффициента трения |
к4, |
который |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
T |
|
400 |
|
|
|
|
|
|
уменьшается с увеличением скорости скольжения по |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
параболическому закону. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
200 |
|
|
|
|
|
1 |
На |
рис. |
7 |
приведена |
зависимость |
температуры |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
"вспышки" от размера пятна контакта L для различных |
|||||||||||||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
20 |
40 |
60 |
80 |
|
100 |
скоростей контртела при номинальном давлении 5МПа |
|||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
L, мкм |
|
|
|
для коэффициента трения к2. Как видно из рисунка, |
|||||||||||||
Рис. 7. Зависимость температуры "вспышки" |
кривые |
|
Tвсп(L) |
характеризуются |
стадийностью. |
При |
|||||||||||||||
от размера пятна контакта для различных |
диаметре пятна касания, который меньше некоторого |
||||||||||||||||||||
скоростей |
контртела |
(материал - |
сталь, |
критического, |
значения |
|
Tвсп медленно растет с |
||||||||||||||
P = 5МПа, |
коэффициент |
трения |
– |
к2; |
увеличением |
L. |
Затем |
наблюдается |
резкий |
скачок |
|||||||||||
Vк=2(1), 4(2), 6(3), 8(4) и 10м/с (5) |
|
|
Tвсп(L), который сменяется стадией насыщения. |
Tвсп(L) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Такой |
сложный |
|
характер |
кривых |
||||||||
объясняется следующим образом. На первом этапе медленный рост температуры "вспышки" обусловлен |
||||||||||||||
тем, что времени скольжения по пятну контакта недостаточно для полного цикла колебаний и |
||||||||||||||
происходит только движение поверхности образца по направлению движения контртела. При размере |
||||||||||||||
пятна, соответствующем критическому, время контакта становится достаточным для следующей фазы, |
||||||||||||||
когда образец движется в обратную сторону. В этой фазе относительная скорость образца и контртела |
||||||||||||||
составляет около 2Vк, мощность тепловыделения значительно возрастает и температура "вспышки" резко |
||||||||||||||
увеличивается. При таком размере пятна контакта, когда на нем реализуется уже полный цикл колебаний, |
||||||||||||||
температура "вспышки" выходит на насыщение. Размер L не влияет на параметры установившегося |
||||||||||||||
колебательного режима и, следовательно, на тепловыделение на поверхности трения. Поэтому |
||||||||||||||
максимальная температура "вспышки" одинакова для всех пятен касания, размер которых больше |
||||||||||||||
критического размера для данной скорости контртела. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
30 |
|
|
|
|
Расчетным путем была определена толщина слоя |
||||||||
|
26 |
|
|
k1 |
|
термоциклирования, которая |
зависит от |
длительности |
||||||
|
|
|
|
фаз скольжения и схватывания, от времени |
||||||||||
|
22 |
|
|
k2 |
|
|||||||||
K |
|
|
k4 |
взаимодействия |
|
образца |
и |
контртела, |
а |
также |
от |
|||
, |
18 |
|
|
|
теплофизических |
характеристик |
материала |
образца. |
||||||
всп. |
|
|
|
|||||||||||
T |
14 |
|
|
|
|
Максимальная |
толщина слоя для |
всех коэффициентов |
||||||
|
|
|
k3 |
|
||||||||||
|
10 |
|
|
|
трения, полученная при моделировании, составила 12 - |
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
17 мкм, что по порядку величины неплохо согласуется с |
|||||||||
|
6 |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
экспериментально наблюдаемой – 20 – 40мкм. |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
Результаты |
моделирования для образца |
из меди |
||||||
|
2 |
толщиной 10-2 м показали, что в этом случае в системе |
||||||||||||
|
|
|
Vк , м/с |
|
|
|||||||||
Рис. 8. Зависимость температуры "вспышки" |
могут возникать колебания с частотой 62 кГц. На рис. 8 |
|||||||||||||
от скорости контртела для различных |
приведена зависимость температуры "вспышки" на |
|||||||||||||
коэффициентов |
|
трения |
(материал–медь, |
медном образце от скорости контртела для различных |
||||||||||
Pном=5МПа, L=100мкм) |
|
|
коэффициентов |
|
трения |
на |
пятне |
контакта, |
размером |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
100мкм, при номинальном давлении 5 МПа. Как видно из рисунка, общий вид зависимостей температуры "вспышки" для меди такой же, как для стали, за исключением участка высоких скоростей скольжения. В то же время полученные значения температуры "вспышки" существенно меньше, чем для стали при тех же условиях трения. Первая и главная причина столь низких температур – это низкий предел текучести меди, который в данной модели определяет тепловыделение на контакте. Второй причиной является более высокая, по сравнению со сталью, температуропроводность меди. Существование максимумов на кривых Tв(к1) и Tв(к4) при скорости 9м/с, а также замедление роста температуры "вспышки" на кривых Tв(к2) и Tв(к3) при высоких скоростях скольжения объясняется следующим образом. Для меди, в отличие от стали, размер пятна 100 мкм меньше критического. То есть при скорости 10м/с времени контактирования становится недостаточно для реализации полного цикла колебаний, что и ведет к падению температуры вспышки.
Расчеты показывают, что при трении со схватыванием в автоколебательном режиме в поверхностном слое материала, толщиной десятки микрометров, имеют место колебания температуры с частотой 6090кГц. При этом, в случае стали максимальная величина температуры "вспышки" в пятне контакта может достигать 1000К и более. Температура "вспышки" зависит от скорости контртела, коэффициента трения, размера пятна контакта и практически не зависит от номинального давления. Существует минимальный размер пятна контакта для данного материала при заданной скорости контртела, начиная с которого достигается максимальная величина температуры "вспышки". Причем с дальнейшим увеличением пятна контакта температура "вспышки" не меняется.
Сравнение результатов моделирования для образцов из стали и меди дает основание считать, что не только теплофизические, но и механические свойства материала существенно влияют на температуру вспышки. Главную роль здесь играет предел текучести, который определяет давление в пятне контакта и, следовательно, тепловыделение на поверхности трения. Это подтверждается тем фактом, что температура "вспышки" для медного образца составила десятки градусов, тогда как для стального в тех же условиях трения получены величины порядка сотен градусов.