Триботехнические характеристики материалов пар трения и смазочных сред в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта.

Актуальность темы исследования. В настоящее время, в любой области промышленности при эксплуатации различных механизмов, машин и оборудования, задачи снижения энергетических потерь на трение и износ являются наиболее важными. В высоконагруженных узлах трения машин происходит самопроизвольное изменение состояния материала фрикционного контакта, приводящее к сменам механизмов трения, следствием которых являются повышение силы и коэффициента трения, интенсивности и скорости износа, схватывание, задир, резкий рост контактных температур. Для уменьшения данных явлений ведѐтся разработка различных технических решений, связанных с разработкой новых материалов пар трения и смазочных сред с высокими триботехническими характеристиками с использованием улучшенных пакетов присадок, дисперсных наполнителей, указанных в стратегических направлениях развития материалов и технологий до 2030 года. Большой объем литературных источников по экспериментальному выявлению закономерностей трения скольжения твѐрдых тел, показал существование трех важных взаимосвязанных проблем в науке о трении и изнашивании: - существуют отклонения от двучленного закона трения скольжения, выражаемые в форме изгибов на линейных графиках зависимости средней силы трения от нагрузки, возникающие при изменении состояния фрикционного контакта, в связи с чем, необходима разработка новой обобщѐнной математической модели закона трения; - многочисленные экспериментальные лабораторные и промышленные результаты показывают, что в зоне фрикционного контакта тел из различных материалов в смазочной среде реализуются явления, приводящие к самопроизвольному изменению силы трения скольжения от пути и времени, проявляющемуся в виде переходных процессов, в связи с чем, возникает необходимость разработки новых математических моделей для описания закономерностей динамики фрикционного взаимодействия; - многие закономерности трения скольжения под действием огромного числа факторов, и сложности процесса трения трудно поддаются математическому моделированию и, в ряде случаев, не имеют адекватного математического описания, что создаѐт дополнительные трудности для их последующего практического использования при проектировании, изготовлении, эксплуатации, ремонте машин и приборов для снижения энергетических потерь на трение и повышения их износостойкости. Первые две проблемы являются фундаментальными для науки о трении и изнашивании. Третья проблема относится к важнейшим прикладным проблемам трибологии. Эффективность решения третьей проблемы базируется на степени разрешения первых двух. К сожалению, сегодня пока нет научно обоснованных теоретических и практических рекомендаций для промышленности в подборе перспективных материалов триботехнического назначения. Закономерности изменения триботехнических характеристик в процессе эксплуатации во многом противоречивы в связи с самопроизвольными изменениями состояний фрикционного контакта, обусловленными сложными физико-химическими процессами. Уменьшение возникающих при работе трибоузлов противоречий может быть достигнуто посредством разработки и верификации обобщенных математических моделей, описывающих изменение триботехнических характеристик материалов пар трения в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта. Актуальность выбранной темы исследования также подтверждается ее выполнением в рамках: - гранта РФФИ № 13-08-00553 и государственного задания при финансовой поддержке Минобрнауки России. Коды проектов: № 933-2014, № 1972-2014; - гранта Российского научного фонда: "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа «износостойкая матрица – наночастицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы", № 15-13-00045; - государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № АААА-А18-118012190023-2 "Термодинамика и кинетика структурных превращений и накопления повреждений в процессах деформирования и разрушения многокомпонентных твердых тел"); - программы Научного центра мирового уровня по направлению «Передовые цифровые технологии» СПбПУ (соглашение от 17.11.2020 № 075-15-2020-934).
Степень разработанности темы. Работа выполнена на основе результатов экспериментальных и теоретических исследований в области трения скольжения и изнашивания материалов с различными физическими, механическими и эксплуатационными свойствами, приведенных в работах таких отечественных и зарубежных ученых как Э.И. Адирович, В.В. Алисин, Г. Амонтон, А.С. Ахматов, А.Я. Башкарѐв, В.А. Белый, Е.В. Берѐзина, Д.И. Блохинцев, Ф.П. Боуден, Э.Д. Браун, П.У. Бриджмен, В.П. Булатов, Н.А. Буше, И.А. Вышнеградский, Д.Н. Гаркунов, Б.М. Гинзбург, Дж. Годдард, И.Г. Горячева, В.В. Гриб, Л. Гюмбель, Б.В. Дерягин, Н.Б. Демкин, М.Н. Добычин, Ю.Н. Дроздов, Г.И. Епифанов, А.К. Зайцев, А.Ю. Ишлинский, В.Н. Кащеев, В.Д. Кузнецов, Ш.О. Кулон, И.В. Крагельский, Ю.П. Козырев, В.С. Комбалов, П. Конти, Б.И. Костецкий, Е.Г. Котельников, Д. Лесли, А.С. Лодж, В.Ф. Лоренц, В.И. Максак, Р.М. Матвеевский, М.Э. Мерчант, Н.М. Михин, В.М. Мусалимов, Н.К. Мышкин, Ф.А. Опейко, Л.И. Погодаев, А.С. Проников, Э. Рабинович, C. Рубинштейн, А.И. Свириденок, Г.Э. Свирский, Е.Б. Седакова, М.А. Скотникова, Д. Тейбор, М.М. Тененбаум, Д.М. Толстой, Г.А. Томлинсон, Х. Уилман, Ю.А. Фадин, С.В. Федоров, Х.Г. Хауэлл, Ю.Н. Цветков, А.В. Чичинадзе, С.Г. Чулкин, Р.П. Штейн, Л.Ш. Шустер, Х. Эрнст и др. В результате исследований многих отечественных и зарубежных авторов разработано большое количество математических моделей трения скольжения, накоплены огромные массивы экспериментальных данных в этой области, которые проходят обработку в современных программных продуктах, в том числе в Big Data. Однако проблемы моделирования трения скольжения и сопровождающего его изнашивания в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта относятся к нерешенным проблемам трибологии. Цели и задачи работы. В связи с обозначенными проблемами общей целью работы является разработка и верификация математических моделей трения скольжения твѐрдых тел в различных средах при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта, необходимых для повышения эффективности оценки триботехнических свойств материалов (включая смазочные), покрытий и модифицированных поверхностных слоев.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач: 1. Разработать обобщѐнную математическую модель закона трения скольжения, с учѐтом смены режимов трения при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта. 2. Разработать новую математическую модель динамики изменения характеристик трения скольжения, с учѐтом наличия переходных процессов при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта. 3. Разработать новую математическую модель закона динамики изнашивания в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта, частными случаями которой являются характерные зависимости изнашивания конкретных узлов трения. 4. Провести верификацию разработанной обобщѐнной математической модели закона трения скольжения твѐрдых тел в различных смазочных средах, в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта. Провести анализ закономерностей трения, оцифровку и математическую обработку экспериментальных данных, полученных другими исследователями. 5. Провести верификацию разработанной новой математической модели динамики изменения характеристик трения посредством экспериментального выявления закономерностей трения скольжения в различных материалах пар трения и смазочных средах при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта. 6. Провести верификацию новой математической модели закона динамики изнашивания посредством экспериментального выявления закономерностей процесса изнашивания материалов пористых газотермических покрытий в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта. 7. Разработать и провести верификацию математической модели трения в условиях сверхмедленного скольжения. 8. Создать машину сверхмедленного трения и осуществить экспериментальное выявление закономерностей динамики изменения характеристик трения скольжения в диапазоне скоростей от 30 до 10000 нм/сек. Провести сравнение полученных результатов с триботехническими характеристиками материалов пар трения, полученных на стандартных машинах трения. 9. Обобщить большой объем экспериментально полученных триботехнических характеристик материалов пар трения и смазочных сред, а также разработанные математические модели, для расчѐта площадей контакта, контактных давлений, температуры вспышки и интенсивности усталостного изнашивания в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта.
Научная новизна работы: 1. Впервые разработана обобщѐнная математическая модель закона трения скольжения твѐрдых тел, позволяющая описать зависимость силы трения от нагрузки при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта, обусловленных сложными физико-химическими и механическими процессами. 2. Установлено, что в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта изменение силы трения в зависимости от нормальной нагрузки имеет кусочно-линейный характер, а такие параметры фрикционного взаимодействия как дифференциальный коэффициент трения, равнодействующая сил молекулярного притяжения и молекулярная составляющая силы трения изменяются сигмоидально. 3. Разработана обобщѐнная формула для расчѐта классического коэффициента трения в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта, 6 позволяющая аналитически описать принципиальную схему изменения классического коэффициента трения. 4. Впервые разработана математическая модель, описывающая динамику изменения силы трения при наличии одного и более переходных процессов, обусловленных самопроизвольными изменениями состояния фрикционного контакта под воздействием определѐнных физико-химических процессов. Посредством данной модели можно определить интенсивность изменения силы трения, динамику изменения работы и импульса силы трения, а также интегральные средние значения данных трибологических характеристик. 5. Впервые разработана обобщѐнная математическая модель, описывающая все характерные участки классической кривой динамики изнашивания: участок приработки, участок нормального износа и участок предельного износа. Данная математическая модель, при различных значениях входящих в неѐ параметров, позволяет описать шесть типов закономерностей динамики изнашивания, конкретных узлов трения. 6. Выявлены закономерности динамики изменения силы трения при сверхмедленном движении гладких стальных поверхностей и установлено их соответствие с разработанной математической моделью динамики изменения характеристик трения. Установлено отсутствие стационарных значений силы трения, характерных для более высоких скоростей скольжения. Показано, что разработанная обобщѐнная математическая модель закона трения скольжения выполняется для случая трения при сверхмедленном движении. 7. Разработана новая смазочная композиция, содержащая наночастицы диселенида вольфрама (патент на изобретение RU 2586335 C1, 10.06.2016, заявка № 2014153023/04 от 25.12.2014). Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы состоит: 1) в обобщении математических моделей, содержащих характеристики трения, для расчѐта контурной и фактической площадей контакта, контактных давлений, сближения, температуры вспышки и интенсивности усталостного изнашивания с учѐтом самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта. 2) в возможности представления математической модели обобщѐнного закона трения в виде кусочно-линейной функции, позволяющей проводить анализ фрикционного взаимодействия твѐрдых тел при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта; 3) в выборе функциональных зависимостей, которые хорошо аппроксимируют кусочно-постоянные и кусочно-непрерывные функции и, при этом, являются нелинейными, дифференцируемыми и непрерывными, что является необходимым условием для описания трения скольжения твѐрдых тел при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта; 4) в различении классического коэффициента трения, выражающего долю силы трения от нормальной нагрузки при скольжении, и дифференциального коэффициента трения, выражающего интенсивность изменения силы трения при изменении нагрузки и их совместном использовании; 5) в использовании в разработанных обобщѐнных математических моделях: приращения дифференциального коэффициента трения; резкости перехода от одного режима трения к другому; критического значения нормальной силы; которые являются важными дополнительными трибологическими характеристиками, необходимыми для оценки фрикционных переходов.
Практическая значимость работы состоит: 1) в разработке новой смазочной композиции, содержащей наночастицы диселенида вольфрама (патент на изобретение RU 2586335 C1, 10.06.2016, заявка № 2014153023/04 от 25.12.2014); 2) в использовании методических разработок для создания базы данных (свидетельство о регистрации базы данных RU 2014620905, заявка № 2014620573 от 28.04.2014); 3) в разработке новых эффективных смазочных композиций, содержащих частицы фторированного графена, для пропитки подшипников скольжения из пористых материалов; 4) в разработке эффективного композиционного покрытия триботехнического назначения с матрицей из линейного полиимида с шарнирными развязками и наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама; 5) в повышении точности расчѐта средних значений силы трения, средней работы и импульса трения, классического коэффициента трения; 6) в создании автором машины сверхмедленного трения, позволяющей существенно расширить диапазон варьирования скорости скольжения (от 3*10-8 м/с и выше) для выявления новых закономерностей фрикционного взаимодействия твѐрдых тел из различных материалов. 7) в использовании компонентов разработанных обобщѐнных математических моделей для создания четырѐх программных комплексов, зарегистрированных в Федеральной службе по интеллектуальной собственности. 8) во внедрении научных положений и результатов работы в НПП Телар для снижения энергетических потерь на трение и износа ответственного оборудования и в ТГПУ им. Л.Н. Толстого в учебный процесс. Методология и методы исследования. Теоретическими основами исследования являются: «формула двучленного закона трения Б.В. Дерягина», «формула двучленного закона для условий граничного трения А.С. Ахматова», «Теория внешнего трения Б.И. Костецкого» и «Молекулярно-механическая теория трения И.В. Крагельского». Методологическими основами исследования являются: «Системный анализ в трибологии Х. Чихоса», «Основы математического анализа», «Основы математической статистики», «Основы математического и физического моделирования трения и изнашивания». Для верификации разработанных обобщѐнных математических моделей трения скольжения в работе использованы как стандартизованные методы триботехнических испытаний, так и авторские методики, реализуемые с использованием специально разработанного автором оборудования для испытаний на трение и износ. В частности, для расширения диапазона скоростей скольжения, автором создана машина сверхмедленного трения МТБМ, позволяющая проводить испытания при скоростях скольжения до 10-8 м/с и разработана соответствующая методика. В работе использованы оригинальные методы обработки результатов триботехнических испытаний, представляющие собой алгоритмы пошаговой аппроксимации экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту: 1. Обобщѐнная математическая модель закона трения скольжения твѐрдых тел, позволяющая описать зависимость силы трения от нагрузки при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта, обусловленных сложными физико-химическими и механическими процессами. 2. Обобщѐнная формула для расчѐта классического коэффициента трения в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта, 8 позволяющая аналитически описать принципиальную схему изменения коэффициента трения. 3. Обобщѐнная математическая модель, описывающая динамику изменения силы трения при наличии переходных процессов, обусловленных самопроизвольными изменениями состояния фрикционного контакта под воздействием определѐнных физико-химических процессов. 4. Обобщѐнная математическая модель закона динамики изнашивания, позволяющая, при различных значениях входящих в неѐ параметров, описать шесть типов закономерностей динамики изнашивания конкретных узлов трения. 5. Закономерности трения скольжения твѐрдых тел без смазки и в средах жидких и консистентных смазочных материалов, обусловленные изменением состояния фрикционного контакта под действием нормальной нагрузки. 6. Закономерности динамики изменения характеристик трения скольжения твѐрдых тел без смазки и в средах жидких смазочных материалов при изменениях состояний фрикционного контакта. 7. Закономерности трения в условиях сверхмедленного скольжения гладких стальных поверхностей. 8. Обобщѐнные математические модели, содержащие характеристики трения, для расчѐта площади контакта, контактных давлений, сближения, температуры вспышки и интенсивности усталостного изнашивания на случай самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта.