способ определения диапазона оптимальных рабочих нагрузок пар трения скольжения

Формула изобретения

Способ определения диапазона оптимальных рабочих нагрузок пар трения скольжения, заключающийся в том, что проводят испытания материалов пары на износ при вариации условий трения, определяют массовый износ m и интенсивность линейного изнашивания I _h, отличающийся тем, что экспериментальную зависимость интенсивности линейного изнашивания I_h от совместной нагрузки pv исследуемого материала получают путем случайного выбора величин р и v из интервала значений pv, не превышающих допускаемого значения [pv] для испытуемого материала, полученные значения I_h аппроксимируют по методу наименьших квадратов, а диапазон рабочих контактных давлений р и рабочих скоростей скольжения v определяют по соотношениям:

где и - соответственно нижнее и верхнее значения контактных давлений диапазона рабочих нагрузок;

и - соответственно нижнее и верхнее значения скоростей скольжения диапазона рабочих нагрузок;

pv - произведение величины контактного давления р и скорости скольжения v испытуемого материала (совместная нагрузка);

(pv)₁ и (pv) ₂ - значения совместной нагрузки в точках перегиба аппроксимирующей зависимости I_h от pv;

v _k и p_k - соответственно значение заданной скорости и заданного давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области материаловедения и может использоваться при выборе материалов пар трения скольжения с учетом рабочих нагрузок, включающих в себя контактные давления р и скорости скольжения v.

В работе [Bowden F.P., Tabor D. The friction and lubrication of solids. Oxford. Clarendon Press. 1950. Стр. 291-293] получена зависимость интенсивности линейного изнашивания I_h в широком диапазоне контактных давлений р при постоянной скорости скольжения v. На этой зависимости наблюдается область снижения I_h при увеличении р, которая располагается между относительным максимумом I _h при сравнительно малых величинах давлений и относительным минимумом I_h при больших давлениях, что свидетельствует о наличии смены механизмов изнашивания. В работе высказывается предположение о том, что область давлений, в которой наблюдается снижение I_h, может являться оптимальным диапазоном для работы узла трения.

Однако это предположение не нашло достаточного обоснования, т.к. зависимости I_h от р не сопоставлялись с другими триботехническими характеристиками, такими как, например, коэффициент трения.

Наиболее близким к предлагаемому способу является известный способ [Гинзбург Б.М., Точильников Д.Г., Козырев Ю.П. «О влиянии сдвиговой деформации на механизм изнашивания поликристаллических твердых тел при трении скольжения». // Трение и износ. 2001. Т.22, №6. С.625-630], в котором с учетом коэффициента трения выделяется диапазон средних давлений, рассматриваемый как диапазон, благоприятный для работы узлов трения.

Недостаток способа состоит в необходимости проведения большого числа экспериментов для получения характеристик, используемых в конструкторской документации, т.е. для нахождения диапазонов рабочих давлений при различных скоростях скольжения необходимо осуществлять последовательный перебор возможных комбинаций всех значений давлений и скоростей скольжения в выбранном диапазоне нагрузок.

Задача, решаемая изобретением, - повышение информативности и снижение трудоемкости рассмотренного выше способа получения данных.

Поставленная задача достигается тем, что при проведении испытаний для определения диапазона рабочих нагрузок материала вместо перебора возможных комбинаций величин контактных давлений р и скоростей скольжения v используется в качестве экспериментального параметра совместная нагрузка pv, которая представляет собой произведение величины контактного давления р и скорости скольжения v. Далее производят выбор ряда значений pv с учетом величины допускаемого значения [pv] материала. Используя генератор случайных чисел, раздельно определяют значения v и р по условию соответствия их произведения выбранным величинам pv. После этого экспериментально определяют массовый износ m материала для выбранных величин pv и рассчитывают величину I_h. Затем производят аппроксимацию полученных значений I_h от pv, а диапазоны рабочих нагрузок определяют для конкретных значений скоростей скольжения v_k или контактных давлений p _k с использованием значений (pv)₁ и (pv)₂ в точках перегиба аппроксимирующей зависимости. В результате по одной серии опытов в известном способе определяют только один диапазон рабочих давлений, а в предлагаемом способе определяют целый ряд диапазонов как контактных давлений, так и скоростей скольжения.

Возможность осуществления данного способа основана на установленном влиянии на износ материалов трех факторов, зависящих от pv: скорости сдвиговой деформации [Гинзбург Б.М., Точильников Д.Г., Козырев Ю.П. О влиянии сдвиговой деформации на механизм изнашивания поликристаллических твердых тел при трении скольжения. / Трение и износ. 2001. Т.22, №6. С.625-630], градиента поверхностной температуры [Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение. 1977. Стр. 116] и величины поверхностной температуры.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана аппроксимация экспериментальных данных интенсивности линейного изнашивания в зависимости от обобщенного параметра нагрузки pv для пары трения скольжения. На чертеже отмечены точки перегиба (pv)₁ и (pv)₂ , по которым определяются как диапазоны рабочих контактных давлений, так и диапазоны рабочих скоростей скольжения.

Для реализации поставленной задачи поступают следующим образом. Составляют таблицу из 8-12 экспериментальных величин pv, охватывающих весь интервал pv для данного материала, причем верхняя граница интервала исследуемых pv принимается, равной pV_max=k[pv], где k=2,5÷3 - коэффициент расширения экспериментального интервала для получения полной зависимости, [pv] - допускаемое значение pv для испытуемого материала, взятое из справочной литературы. При этом 8-12 соответствующих величин скоростей скольжения v выбирают произвольно, а величины контактных давлений р рассчитывают. Затем для каждой табличной величины pv экспериментальным путем определяют весовой износ m и рассчитывают величину I_h [Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение. 1977.526 с.].

Полученные значения I_h от обобщенного параметра нагрузки pv аппроксимируют по методу наименьших квадратов. По аппроксимирующей зависимости определяют величины (pv)₁ и (pv)₂ в точках перегиба. Затем для заданной скорости v_k определяют нижнее значение давления р_н и верхнее значение давления р_в или для заданного давления р _к определяют нижнее значение скорости v _н и верхнее значение скорости v_в в рабочем диапазоне по соотношениям:

Тогда диапазон рабочих давлений р и диапазон рабочих скоростей скольжения v будет равен:

где р_н нижнее и р _в верхнее значения давления диапазона, a v _н нижнее и v_в верхнее значения скорости скольжения диапазона.

Конкретная реализация предложенного способа показана на примере испытаний на износ антифрикционного материала Ф4К15М5, содержащего политетрафторэтилен (ПТФЭ), 15 об.% мелкодисперсного литейного кокса и 5% дисульфида молибдена MoS₂.

Испытания материала проводились по схеме кольцо - плоскость: образец из исследуемого материала контактировал своей плоской поверхностью с контртелом из стали 35ХМ (кольцо с наружным 6 мм, внутренним 5 мм и высотой 8 мм). Технические данные установки: скорость скольжения 0,04-1,2 м/с; контактное давление 0,6-9,4 МПа. Путь трения во всех испытаниях был принят равным 1000 м.

Перед проведением испытаний составляют таблицу величин pv. Известно [Справочник по пластическим массам. Изд. 2-е. В двух томах. Т.1. /Под ред. В.М.Катаева, В.А.Попова, Б.И.Сажина. М.: Химия, 1985. Стр. 138], что для испытуемого материала допустимое [pv]=0,7 МПа м/с, тогда для расширения экспериментального интервала выбираем коэффициент k, равным 2,56. Получаем pv_max , равным 1,8 МПа м/с. Полученные величины pv приведены в табл.(столбец 4).

Таблица 1
№ эксп.	Скорость скольжения v, м/с	Контактное давление р, МПа	Совместная нагрузка pv, МПа м/с	Время эксперимента, час-мин-с
1	2	3	4	5
1	0,04	0,7	0,03	6-16-08
2	0,08	1,3	0,1	2-49-15
3	0,28	0,7	0,2	1-24-37
4	0,11	3,7	0,4	1-24-37
5	0,26	2,3	0,6	0-56-25
6	0,28	2,8	0,8	1-17-34
7	0,71	1,7	1,2	0-28-12
8	0,19	7,6	1,4	0-40-18
9	0,42	4,3	1,8	0-43-52

Далее получают величины v и р с округлением их в соответствии с точностью, которую обеспечивает экспериментальная установка. Эти величины приведены в табл.1 (столбцы 2, 3). После контрольного пересчета величин pv возможно их уточнение, если пересчитанная величина отличается от первоначальной более чем на ±5%. Далее проводят испытания материала, измеряют его массовый износ m и определяют величину I_h по известной формуле:

где - плотность; А_n - номинальная площадь контакта; L - путь трения.

На чертеже приведено графическое построение полученных экспериментальных данных I _h от pv ( ) с последующей аппроксимацией их по методу наименьших квадратов (-).

Аппроксимация экспериментальных точек проведена с достаточной точностью, т.к. коэффициент корреляции равен 0,94.

По зависимости, приведенной на чертеже, определяют, что величины (pv)₁ и (pv)₂ составляют 0,34 и 0,91 МПа м/с соответственно. После чего по соотношениям (1) и (2) находят нижнюю р_н, верхнюю р _в величины давлений и р. Полученные результаты приведены в табл.2.

Таблица 2
vk, м/с	p в, МПа	рн, МПа	р, МПа
0,2	4,5	1,7	2,8
0,3	3	1,1	1,9
0,4	2,3	0,9	1,4
0,5	1,8	0,7	1,1
0,6	1,5	0,6	0,9

Аналогично по соотношениям (1) и (2) можно получить величины v_н, v _в и v, задаваясь постоянными величинами давлений р _k (табл.3).

Таблица 3
рк, МПа	v в, м/с	vн, м/с	v, м/с
1,5	0,61	0,16	0,45
2	0,46	0,12	0,34
2,5	0,36	0,1	0,27
3	0,3	0,08	0,22
3,5	0,26	0,07	0,19

Данные табл.2 и 3 дают возможность выбрать параметры р и v для материала Ф4К15М5 при конструкторской разработке узла трения.

Результаты, приведенные в табл.2 и 3, были получены с меньшими временными затратами благодаря предлагаемому способу произвольного подбора параметров р и v для заранее заданных величин совместной нагрузки pv с последующим определением р_в, р _н и р или v_в, v_н и v по найденным величинам (pv)₁ и (pv)₂ на аппроксимирующей зависимости. Для получения такого же объема данных, как в табл.2 и 3, но без использования предлагаемого способа, потребовалось бы провести значительно большее число опытов.

Возможность определения как диапазона рабочих давлений, так и диапазона рабочих скоростей скольжения по одной серии опытов существенно повышает информативность предложенного способа по сравнению с известным способом.

Источники информации

1. Bowden F.P., Tabor D. The friction and lubrication of solids. Oxford. Clarendon Press. 1950. 512 с.

2. Гинзбург Б.М., Точильников Д.Г., Козырев Ю.П. О влиянии сдвиговой деформации на механизм изнашивания поликристаллических твердых тел при трении скольжения. // Трение и износ. 2001. Т.22, №6. С.625-630. (прототип)

3. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение. 1977. 526 с.

4. Справочник по пластическим массам. Изд. 2-е. В двух томах. Т.1. /Под ред. В.М.Катаева, В.А.Попова, Б.И.Сажина. М.: Химия, 1985. 449 с.