Патент на изобретение №2338178

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИАПАЗОНА ОПТИМАЛЬНЫХ РАБОЧИХ НАГРУЗОК ПАР ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области материаловедения. Сущность: проводят испытания материалов пары на износ при вариации условий трения. Определяют массовый износ m и интенсивность линейного изнашивания I_h. 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.

Технический результат – повышение информативности и снижение трудоемкости. 1 ил., 3 табл.

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.

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).

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	pв, 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	vв, 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.

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.

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.

РИСУНКИ