ПРОТИВОЗАДИРНЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
Тихомиров П.В. (БГИТА, г.Брянск, РФ)
Protivozadirnaya stability heavyloaded pair of friction, in particular issues teeth wheel, is an actual problem, which decision allows to provide reliable functioning the machines. One of the efficient ways of increasing to reliability and longevity of the nodes of friction is an using against bully additive to base butter.
Противозадирная стойкость тяжелонагруженных пар трения, в частности передач зубчатыми колесами, является актуальной проблемой, решение которой позволяет обеспечить надежную работу машин. Одним из эффективных способов повышения надежности и долговечности узлов трения является применение противозадирных присадок к базовым маслам. Эти присадки содержат такие химические элементы, как сера, фосфор и хлор. Считается, что на «горячих» пятнах контакта эти элементы вступают в химическую реакцию с образованием на этих пятнах сульфидов, фосфидов и хлоридов. В результате реакций образуется модифицированный слой, разделяющий трущиеся металлические поверхности и снижающий коэффициент трения. Модифицированные слои, обладая низкой температурой плавления, обеспечивают правило положительного градиента (по И.В. Крагельскому), препятствуя схватыванию поверхностей. Механизм схватывания (образования прочных металлических связей) еще недостаточно изучен. По И.В. Крагельскому [1] порог внешнего трения, характеризующий начало заедания, определяется выражением
где h – глубина внедрения жесткого полусферического индентора, моделирующего неровность более твердого тела, r – радиус закруглния индентора, τ – удельная прочность на срез адгезионной связи (в частности это – сдвиговая прочность поверхностного слоя пластичного металла), σ – предел текучести мягкого элемента пары трения.
Считается, что внешнее трения имеет место при отношении τ/σ<0,5. Известны другие подходы, в определенной степени объясняющие явление схватывания. Так, по С.Б. Айнбиндеру проявление схватывания связано с взаимодействием ювенилбных металлических поверхностей, когда в зоне контакта отсутствуют пленки любого состава и происхождения. В работах А.П. Семенова подчеркивается, что для возникновения схватывания необходимо дополнительно преодолеть некоторый энергетический барьер, иначе при разгрузке упругие деформации могут разорвать адгезионные связи.
Вид поверхности трения с очагом схватывания представлен на рисунок 1 [2]
Рисунок 1 – Поверхность трения с очагом схватывания
В работе [3] показано, что для предотвращения заедания необходимо, чтобы при деформировании поверхности трения поддерживалось достаточно высокое содержание в нем вакансий. Процессы самоорганизации пластической деформации поверхностного слоя позволяют этим слоям динамически адаптироваться к условиям существования пятен контакта, повышая противозадирные свойства.
Экспериментально установлено [4], что в условиях трения скольжения с качением при заедании имеет место процесс вырывания частиц металла с контактной поверхности ролика, вращающегося с меньшей скоростью, и перенос металла на поверхность ролика, вращающегося с большей окружной скоростью. Обычно перенос металла происходит с менее твердой поверхности на более твердую сопряженную поверхность. При этом следует учитывать зависимость твердости от температуры.
Рисунок 2 – Зависимость твердости от температуры (НВ* - расчетное значение твердости)
Критическую температуру Ткр, при которой происходит заедание, определим из выражения
(1)
Здесь Ткр – критическая температура, Еa – энергия активации схватывания, R – газовая постоянная, k – коэффициент, учитывающий величину металлического контакта, l0 – часть ширины герцевской площадки (протяженность металлического контакта), ν0 – частота колебаний атомов кристаллической решетки, υS – скорость скольжения.
Поверхностную температуру при числе Пекле 0,3<Pe<8 найдем по формуле [5]
(2)
где φ2 – функция, зависящая от числа Пекле, f – коэффициент трения, HB – твердость по Бринеллю, λ – удельная теплопроводность материала, bH – полуширина площадки контакта (по Герцу).
Число Пекле равно
Здесь a – коэффициент температуропроводности.
Приравняв выражения (1) и (2) и решив полученное уравнение относительно твердости, получим
Приведем численный пример при следующих исходных данных: υS = 1 мс-1; λ=57,7 Вт/(м∙град); a =17,65∙10-6 м2/с; r – приведенный радиус (r = 25 мм); w – удельная нагрузка (w=300 Н/мм); Ea = 25 кДж/моль; R= 8,32 Дж/моль∙град).
Найдем полуширину площадки контакта цилиндр – плоскость
Приняв k = 0,1, найдем число Пекле
Тогда в соответствии с графиком [5] коэффициент φ2 будет равен φ2=3,5.
Расчетное значение твердости найдем по формуле
Критическая температура на контакте равна
Таким образом, для обеспечения задиростойкости необходимо, чтобы твердость материала должна быть выше HB 320 при температуре 198 ℃. Рассмотренный подход к оценке заедания позволяет выбрать материал, у которого менее существенна зависимость твердости от температуры.
Литература
1. Крагельский, И.В. Трение и износ/И.В. Крагельский. – М.: Машиностроение. –1968.
2. Мышкин, Н.К. Морфология: текстура, форма и цвет поверхностей трения и частиц износа в задачах трибологии/Н.К. Мышкин, А.Я. Григорьев //Трение и износ, 2008. – Т. 29, №3. – С. 251-260.
3. Поляков, С.А. Формирование противозадирных свойств материалов при динамической адаптации их поверхностных слоев к условиям эксплуатации /С.А. Поляков, Л.И. Куксенова//Трение и износ, 2008. – Т.29, №3. – С. 275-284.
4. 4. Yoshio, T. Basic studies on scoring of spur gear. 1 Rept. On the seizure under a pure sliding condition and a sliding-rolling condition / T. Yoshio, M. Yoshibaru, N. Hiromasu// Bull. JSME, 1970.- V. 13, N 63.- P. 1123-1136.
5. Дроздов, Ю.Н. Трение и износ в экстремальных условиях /Ю.Н. Дроздов, П.Г. Павлов, В.Н. Пучков. – М.: Машиностроение, 1986. – 224 с.