УДК 621.89+69М

Бародеформационный критерий поверхностей трения рабочих органов и сопряжений строительной техники

 

Barodeformatsion criteria friction surfaces and interfaces of the working bodies of construction equipment

 

Густов Ю.И., Воронина И.В., Катанина А.Г. (Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, г. Москва, РФ)

Gustov Yu.I., Voronina I.V, Katanina A.G. («Moscow State of civil engineering» (National Research University)

 

Предлагается бародеформационный критерий относительного контурного давления на поверхность трения и степени трибодеформационного упрочнения (разупрочнения) подповерхностных слоёв рабочих органов и сопряжений строительной техники, отражающий причинно-следственную связь между силовым нагружением и изменением механических свойств при трении и изнашивании твёрдых тел.

Barodeformatsion proposed criteria relative to the surface contour of pressure and friction degree tribodeformatsion strengthening (weakening) of the subsurface layers of the working bodies and interfaces construction machinery , reflecting the causal link between the power loading and changes in mechanical properties in friction and wear of solids

 

Ключевые слова: критерий, контурное давление, трибодеформационное упрочнение, рабочие органы, сопряжение, нагружение, свойства, трение, изнашивание

Key words: criteria, contour pressure, tribodeformatsion hardening, working bodies, pairing, loading, properties, friction and wear

 

К числу важных трибологических показателей поверхностей трения относятся давление и степень трибомеханического упрочнения (или разупрочнения) приповерхностных деформируемых слоёв. Эти показатели характеризуют причинно-следственную связь, определяющую уровень внешнего силового нагружения поверхности и, как результат, изменение исходных показателей механических свойств вследствие вызванных нагрузкой упругопластических деформаций.

Постулируя процессы трения и изнашивания тел как самоорганизующуюся систему, полагаем между причиной и следствием гармоническое отношение золотой пропорции [1].

Целью работы является исследование взаимосвязи относительного контурного давления и степени трибодеформационного упрочнения (разупрочнения) на примере наплавленных изношенных ножей дорожной фрезы и шарнирных пальцев строительной драги. Характерной особенностью работы ножей является повышенная скорость трения (V≈10м/с) при фрезеровании высокоабразивных грунтов; для шарнирных пальцев драги характерно гидроабразивное изнашивание при высоких контактных нагрузках.

При исследовании выполнялось профилографирование изношенных поверхностей, строилась кривая опорной поверхности (гипсограмма) в нормализованной системе координат «относительное контурное давление tp – относительное сближение ε», определялись парциальные величины микроизноса Da (доля впадин в пределах базы профилографирования) и микрометалла Dm (доля выступов). Находились центры тяжести (Ca и Cm) плоских фигур Da и Dm.

Межцентровая линия (бицентроида Lβ) пересекает линию опорной поверхности в полюсе Р. Ордината полюса tpp является исследуемым относительным контурным давлением (рис.1).

Относительное контурное давление можно рассчитать по формулам

,

(1)

,

(2)

где εp – относительное полюсное сближение, численно равное парциальному микроизносу Da;

Lβ = 0,486 – длина бицентроиды.

Длина кривой опорной линии (гипсограмма Lϒ) определяется экспериментально зависимостью

.

(3)

Посредством величины Lϒ оценивается КПД трущихся элементов

(4)

поскольку 2f = tpp.

Степень трибодеформационного упрочнения (разупрочнения) поверхностных слоёв определяется по зависимости

(5)

Целевой задачей является проверка соответствия произведения В=tpp×Ks гармонической величине 1/d=0,618 системы золотой пропорции.

Для исследования использовались экспериментально-расчётные триботехнические показатели наплавленых ножей дорожной фрезы и модельных пальцев шарниров драги [2,3] (табл. 1,2).

 

Таблица 1 – Исходные данные и расчётные значения бародеформационного критерия ножей дорожной фрезы

Материал

Ho, МПа

Da

tpp

Ks

B=tpp×Ks

,%

МИ*

Lϒ

η,%

Сталь 45

2250

0,45

0,526

1,15

0,605

2,10

МЦУ

1,53

39,5

11ОГ13Л

4200

0,60

0,455

1,34

0,610

1,29

МР

1,41

41,5

И-1

5000

0,68

0,424

1,37

0,581

6,00

МР

1,40

41,7

И-2

4450

0,44

0,532

1,13

0,601

2,75

МЦУ

1,54

39,4

Э-3

4600

0,42

0,544

1,11

0,604

2,27

МЦУ

1,58

38,8

ВСН-6-8

5000

0,65

0,435

1,36

0,592

4,21

МР

1,40

41,7

СКБ

5000

0,59

0,459

1,33

0,610

1,29

МР

1,41

41,5

ЦН-16

5500

0,54

0,481

1,28

0,616

0,32

МР

1,44

41,0

ПЛ-400Х38-Г3РТЮ

8000

0,51

0,495

1,25

0,619

0,16

МЦУ

1,48

40,3

Т-620

8200

0,62

0,446

1,35

0,602

2,59

МР

1,40

41,7

КБХ-45

10600

0,35

0,588

0,91

0,646

4,53

МнЦУ

1,74

36,5

Х-5

11300

0,36

0,581

0,93

0,625

1,13

МнЦУ

1,71

36,9

*МИ – механизм изнашивания, МР – микрорезание, МЦУ – малоцикловая усталость, МнЦУмногоцикловая усталость.

По результатам табл. 1 можно сделать следующие основные выводы:

1.            Расхождение расчётных значений бародеформационного критерия В=tpp×Ks с гармоническим значением g = 0,618 для упрочняющихся металлов (Ks>1) составляет ∆=0,16…6,0% при среднем ∆ = 2,83%.

2.            Среднее значение критерия В выборки упрочняющихся материалов расходится с величиной g на 2,27%, разупрочняющихся материалов на 2,83%. Учитывая незначительные расхождения критерия В и гармонической величины g можно принять для упрочняющихся металлов В=tpp×Ks=0,918, для разупрочняющихся В = tpp/Ks = 0,618.

3.            Изнашиванию металлов по механизму микрорезания (МР) соответствует условие 0,55 < Da < 1, механизму малоцикловой усталость (МЦУ) 0,36 < Da < 0,55, механизму многоцикловой усталости (МнЦУ) 0<Da≤0.36.

4.            Для расчётного определения длины гипсограммы можно использовать экспериментально подтверждённые зависимости  (где Lβ – длина бицентроиды СаСм) или .

5.            Значения коэффициента полезного действия (η), полученные по формуле , соответствуют предельному значению 40% для условий сухого трения «клинового привода» [4].

 

Таблица 2 – Исходные данные и расчётные значения бародеформационного критерия шарнирных пальцев строительной драги

Материал

Н0, МПа

Da

tpp

Ks

B

,%

Lϒ

η,%

МИ

ВСН-12

7500

0,580

0,48

1,33

0,640

6,53

1,418

41,4

МР

ОМГ-Н

4700

0,445

0,53

1,255

0,665

7,63

1,537

39,4

МЦУ

ВСН-6

6200

0,406

0,51

1,306

0,666

7,78

1,603

38,4

МЦУ

ОЗЩ-1

5600

0,416

0,51

1,214

0,619

0,18

1,584

38,7

МЦУ

ОЗИ-1

7300

0,402

0,53

1,164

0,617

0,16

1,611

38,3

МЦУ

НГ-2

6500

0,514

0,50

1,215

0,608

1,62

1,460

40,7

МЦУ

Х-5

10400

0,320

0,53

0,817

0,649

5,02

1,839

35,2

МнЦУ

D-5

6700

0,375

0,53

0,931

0,569

7,9

1,718

36,8

МнЦУ

ОЗН-6

5300

0,48

0,5

1,24

0,633

2,37

1,431

41,1

МЦУ

ПП-110Г2АР

8400

0,54

0,48

1,369

0,658

6,47

1,414

41,4

МЦУ

110Г13Л

2200

0,347

0,59

0,902

0,654

5,84

1,531

39,5

МнЦУ

37ХН3А

2000

0,382

0,51

1,32

0,673

8,90

1,445

40,9

МнЦУ

 

По результатам табл. 2 можно отметить следующее:

1.            Между расчётными значениями критерия В=tpp×Ks упрочняющихся металлов и гармоническим значением g установлено незначительное расхождение ∆=0,16…8,9% при среднем ∆=4,63%, расхождение для разупрочняющихся металлов при В=tpp/Ks составляет ∆=5,02…7,9% при среднем ∆=6,25%.

2.            Условиями изнашивания металлов по ведущим механизмам являются: для МР 0,55 < Da < 1, для МЦУ 0,36 < Da < 0,55, для МнЦУ 0 < Da ≤ 0,36.

3.            Наибольшие значения КПД характерны для изнашивания по механизмам МР и МЦУ, меньшие по МнЦУ. Полученные величины η отвечают предельному значению КПД (40%) «клинового привода» при сухом трении скольжения поверхностей.

Вследствие установленного и принятого гармонического значения Ks=0,618/tpp или tpp=0,618/Ks коэффициент трения можно выразить только через tpp или Ks по формулам:

(6)

(7)

(8)

где 0,809=1/2×0,618.

Аналогично длина гипсограммы определяется по зависимости

(9)

 

где 0,972 = 2Lβ = 2×0,486=2(0,618×0,382)0,5.

Таким образом, можно считать, что рассмотренные трибологические показатели связаны между собой посредством величины ϒ=0,618, что свидетельствует о гармонической самоорганизации процессов трения и изнашивания конструктивных элементов.

Список использованных источников

1.        Коробко В.И. Золотое сечение и проблемы гармонии систем/ Издательство Ассоциации строительных вузов стран СНГ. М., 1998. 373 с.

2.        Густов Ю.И. Триботехника строительных машин и оборудования: Монография / Московский государственный строительный университет. М.: МГСУ, 2011. 192 с.

3.        Густов Ю.И., Воронина И.В., Орехов А.А. Методология исследования трибомеханических показателей строительной техники. // Механизация строительства. 2011. №8. С.10-12.

4.        Чихос Х. Системный анализ в триботехнике. М.: Мир, 1982. 351 с.