О возможности аналитической оценки антифрикционности подшипниковых сплавов
Зелинский В.В., Андреев В.Д., Карпов А.В. (МИ ВлГУ, г. Муром, РФ)
This article shows theoretical method of evolution of materials for plain bearings.
Большую группу современных подшипниковых материалов представляют бинарные сплавы с макроструктурой «мягкая составляющая (МС) в твердой основе». Хорошие антифрикционные свойства бинарных сплавов на алюминиевой основе, технологичность их изготовления и относительно низкая стоимость стимулировали изыскания в направлении их дальнейшего улучшения. В основном это осуществляется опытным путем на основе экспериментальной оценки практически без использования теоретических подходов.
Для алюминиево-оловянных сплавов экспериментально доказанным является эффект увеличения содержания олова на поверхности трения с последующим облегчением последнего. Предполагается [1], что пластическое деформирование поверхностного слоя ТО приводит к частичному вытеснению олова на поверхность, чем и обеспечивается антифрикционность сплава. Но есть основания предполагать, что дополнительно механизм частичного вытеснения пластически деформированной МС может быть обусловлен также и упругим деформированием основы сплава, так как глубина проникновения упругих деформаций значительно больше глубины распространения пластически деформированной области и существенно повышает размеры мягкий включений. Расчеты показали, что, например, в случае контакта стального вала диаметром 60 мм с шатунным подшипником ДВС из сплава на основе алюминия при средней нагрузке 2000 Н максимум контактных напряжений располагается на глубине около 2,7 мм. То есть упругие деформации по глубине охватывают весь антифрикционный слой в биметаллическом подшипнике. Следовательно, в эффекте частичного вытеснения МС существенное значение могут иметь и упругие деформации нижележащих слоев, так как пластические деформации локализуются в тонком наружном слое до 5 мкм [2].
Наступлению состоянию текучести в МС всегда предшествует упругое деформирование от сжимающего действия охватывающего материала ТО и, главным образом, от стенки полости, расположенной перпендикулярно направлению движения индентора. Поэтому можно допустить, что началом текучести МС является его предельное упругое состояние и для оценки эффекта вытеснения мягкой составляющей использовать механизм упругости в объеме ТО, считая правомерным в направлении нормали к общей стенке объемов МС и ТО следующее соотношение
, (1)
где
,
-
предельные значения, соответственно, нормального напряжения и относительной упругой
деформации; 
, 
- соответственно,
модуль упругости и предел текучести материала мягкой составляющей.
Имея целью определение зависимости критического внешнего давления, соответствующего условию (1) (т.е. началу текучести МС), от сочетания металлов ТО и МС используем теорию напряженного и деформированного состояния [3], считая материалы ТО и МС изотропными идеально пластичными. Рассмотрим напряженно-деформированное состояние гетерогенного полупространства с данными свойствами под действием движущегося жесткого штампа, нагруженного нормальной и касательной силами. Взаимодействие ТО и МС происходит по разделяющей их поверхности, поэтому выделим из полупространства элементарные объемы ТО и МС, соприкасающиеся по одной из граней и ограниченные главными площадками. Вследствие низкой адгезии между металлами ТО и МС трением между объемами пренебрегаем. Ввиду низкой относительной доли поверхности МС объем МС освобождаем от действия нормальной и касательной сил. На основании обобщенного закона Гука и равенства деформаций объемов вдоль общей оси Х связь их главных напряжений при плоском деформированном состоянии определяется уравнением
, (2)
где
,
,
-
главные нормальные напряжения (верхние индексы «м» и «т» соответственно для
объемов МС и ТО); 
- модуль упругости
материала ТО; 
, 
- коэффициенты
Пуассона материалов МС и ТО.
За предельное напряженное состояние принимаем
состояние текучести МС. В соответствии с условием пластичности Мизеса при
плоском деформированном состоянии определяется уравнением
. (3)
В связи с наличием касательного напряжения 
на
гранях объема ТО в уравнении (2) главные напряжения заменим на рабочие с
использованием соотношения
, (4)
где
-
коэффициент трения при движении штампа; 
- давление на объеме ТО от
внешней силы. Совместное решение уравнений (2), (3) и (4) с учетом формул
замены напряжений позволило получить зависимость давления начала текучести МС в
виде функции
. (5)
На рисунке приведены решения функции (5) для сочетания
металлов МС и ТО, соответствующих антифрикционным материалам типа свинцовистых
бронз, алюминиево-оловянным и алюминиево-свинцовым сплавам. Приведенные решения
позволяют сделать оценку способности разных систем к пластическому вытеснению
более мягкого металла из основы сплава при упругом деформировании ТО по уровню
требуемого для этого внешнего давления 
.
Анализ результатов расчетов показал их полное
соответствие экспериментам по целому ряду антифрикционных свойств –
прирабатываемости, температуре трения, коэффициенту трения, задиростойкости для
бинарных подшипниковых сплавов [2, 4]. Например, расчет показал, что для системы
Al+Sn требуется наименьшие , необходимые для начала
текучести МС, с более слабой зависимостью от . Опыты выявили для алюминиево-оловянных
сплавов наилучшие показатели по перечисленным свойствам. Расчет показал, что системе
Cu+Pb для вытеснения свинца во всем диапазоне изменения коэффициента
трения требуются очень высокие значения , недостижимые на практике.
И действительно в опытах медно-свинцовые сплавы по всем антифрикционным свойствам
показали наихудшие результаты. То есть в экспериментах эффекта вытеснения МС
достичь не удалось. Расчеты, как и опыты показали, что в сплавах на основе
алюминия лучшую антифрикционность дает использование олова в качестве МС, чем использование
свинца, т.к. система Al+Pb для вытеснения МС требует более высоких нагрузок.
Расчетом установлено, что причина в низком модуле упругости свинца и для
достижения его текучести требуются значительные деформации ТО и, следовательно,
большие нагрузки. Согласно расчетным зависимостям при уменьшении коэффициента
трения (например, в результате приработки) эффект вытеснения МС при постоянных
внешних условиях ослабляется в наименьшей степени для системы Al+Sn.
|
Рисунок - Зависимость давления начала текучести |
Таким образом, предложенный подход позволяет провести аналитическую оценку антифрикционности различных бинарных систем и прогнозировать их поведение при трении.
Литература
1. Буше Н.А., Алексеев Н.М. Механика процессов трения подшипниковых сплавов с мягкой структурной составляющей. – Вестник ВНИИЖТ, 1980, №7, с. 28-32.
2. Зелинский В.В. Новое о механизмах приработки антифрикционных подшипниковых материалов // Современные материалы и технологии – 2002. Сборник статей Международной научно-технической конференции, Пенза, ПГУ, 2002, с. 141-144.
3. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформированного тела. Т.1. – М.: Наука, 1975. – 832 с.
4. Буше Н.А., Зелинский В.В., Трушин В.В. Оценка режимов трения и задиростойкости трибосопряжений // Трение и износ. 1986. Т.7, №5, с. 798-805