Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Влияние других факторов на акустические свойства фрикционного контакта




Механизм влияния скорости трения на мощность ВА излучения определяется возмущающим фактором со стороны соударяющихся неровностей и стабилизирующим фактором со стороны процесса адгезионного взаимодействия. При увеличении скорости трения могут меняться характеристики силовых импульсов, возникающих при взаимодействии микронеровностей, и условия образования адгезионных связей, определяющие их прочность.

Влияние скорости трения и других факторов на акустические свойства фрикционного контакта

Рассмотренная выше модель фрикционного контакта очень схематична и не учитывает влияния целого ряда факторов, к важнейшим из которых относится скорость трения.

На рис. 17 показаны примеры изменения уровней СКЗ амплитуды ВА сигнала при росте скорости трения различных материалов по стальной поверхности. Несмотря на то, что эксперименты проводились с разными материалами, средний угол наклона у представленных зависимостей приблизительно одинаков. В первом приближении можно полагать, что амплитуда высокочастотного ВА сигнала приблизительно линейно зависит от скорости трения. Это допущение делается с оговоркой, что на процесс трения не действуют возмущения в виде автоколебания и т. п. воздействия. Но главное условие для такого утверждения состояло в том, что температура в контакте не должна существенно влиять на модуль упругости наименее прочного элемента в паре трения.

 

Рис. 17. Примеры изменения уровней ВА сигнала в октавной полосе с СГЧ 31,5 кГц с ростом скорости при трении различных материалов по стали 45: 1 – бронза АЖ9; 2 – ВОК-60; 3 – алюминиевый сплав Д16; 4 – фторопласт

 

П ростое увеличение частоты взаимодействия микронеровностей за счет изменения какого-либо параметра трения во фрикционном контакте при достаточно больших ФПК не могут влиять на увеличение мощности ВА излучения. При увеличении скорости трения остается причину роста мощности ВА излучения искать в росте влияния отдельных взаимодействий и изменении прочности единичных адгезионных связей на генерируемую ВА мощность. В этой ситуации упрощенную зависимость мощности ВА излучения от скорости трения можно представить в виде:

, (2.5.1)

где V – скорость трения, F(V) – фактор, определяемый средним силовым возмущением, создаваемым при соударении двух микронеровностей, - жесткость единичного адгезионного контакта. Входящая в 2.5.1 константа обобщает все прочие факторы, которые считаются условно независящими от V.

Если амплитуда ВА сигнала приблизительно пропорциональна V, то мощность ВА сигнала должна быть пропорциональна V2. В работе [47] на основании экспериментальных исследовании делается заключение, что с изменением V фактор F(V) увеличивается приблизительно пропорционально . Для того, чтобы E(V) увеличивалась пропорционально V2, как это показывают эксперименты, необходимо в выражении 2.5.1 иметь знаменатель (V), меняющийся с ростом V пропорционально V -3/2. Следовательно, с ростом скорости прочность связей, образующихся в результате их рекомбинации, убывает быстрее, чем растет возмущающее воздействие от ударов микронеровностей. В связи с тем, что изменение характера адгезионного взаимодействия оказывает доминирующее влияние на изменение мощности ВА сигнала при трении, то необходимо более подробно рассмотреть связь скорости трения с прочностью адгезионных мостиков.

Адгезия, являясь процессом электронного обмена, состоит из двух этапов: сближения на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки, необходимое для межатомного взаимодействия, и самого электронного взаимодействия. Факторы, которые способствуют увеличению давления и площади контактной зоны, повышают вероятность возникновения адгезионных связей. С уменьшением скорости трения увеличивается время взаимодействия отдельных неровностей. Если взять за основу положение о том, что пластические деформации запаздывают по отношению к моменту возникновения напряжения, вызывающего эти деформации, то становится очевидным, что с ростом времени взаимодействия отдельных неровностей увеличиваются пластические деформации, сопровождающие это взаимодействие, и неровности глубже проникают друг в друга, позволяя вступить в контакт новым неровностям. При больших пластических деформациях вокруг каждой контактирующей неровности создается большее пятно из новых контактов, что и увеличивает локальную жесткость в контакте, ускоряя переходный процесс изменения мощности ВА сигнала при росте ФПК.

Относительно запаздывания пластических деформаций можно сказать, что этот механизм объясняется действием структурных причин, связанных со временем, необходимым для освобождения заблокированного источника дислокаций или для его зарождения. Т.е. речь идет о задержке пластических деформаций. Теория этого явления основана на том, что вероятность освобождения блокированного источника дислокаций, т.е. вероятность пластической деформации, будет расти с увеличением времени воздействия упругого поля. В работах, посвященных изучению зависимости силы трения от скорости, авторы предлагают зависимость коэффициента трения (μ) от скорости трения выражать зависимостями, подобными следующей:

. (2.5.2)

Для входящих в это выражение параметров даются дополнительные комментарии. Параметр а существенно зависит от физических свойств материалов пары трения. Он увеличивается с возрастанием модуля упругости, скорости релаксации напряжений и шероховатости поверхности трения. Параметр b зависит от вязкопластических свойств материалов, а параметр с является произведением декремента затухания колебаний на коэффициент вязкости контактных слоев. Параметры b и с зависят от давления, т.к. с его увеличением вязкость контакта возрастает. Параметр d характеризует влияние конструкции пары трения и режима трения.

Существенным недостатком последней формулы, впрочем, как и всех подобных ей, является невозможность предварительного учета влияния давления, размера поверхности, сложность численного определения параметров a, b, c, и d, существенно зависящих от температуры и от всего комплекса физико-химической механики при трении. Эти параметры предполагается определять из экспериментов, при которых оценивается зависимость μ от V при различных давлениях pa. Составляется система из четырех уравнений, решение которых позволяет вычислить параметры a, b, c, и d при данном номинальном давлении ра.

В общем виде зависимость μ от V носит экстремальный характер, но при больших V коэффициент трения падает с ростом V. При пластическом контакте скорость трения влияет на величину μ через скорость распространения пластической деформации. При увеличении V пластическая деформация локализуется в тонком поверхностном слое и μ снижается.

Следует признать, что к настоящему моменту отсутствует удовлетворительная теория кинетического трения (трения движения) [15]. Однако приведенные примеры показывают, что экспериментальные и теоретические поиски многих исследователей подтверждают изменение характера контактного взаимодействия в трущейся паре с изменением скорости относительного движения. В связи с тем, что трибология имеет за плечами долгую историю и большой накопленный материал, то и в трибоакустике, естественно, стремятся выражать параметры, влияющие на мощность ВА сигнала, через уже широко использующиеся и имеющие экспериментальную проверку параметры, такие как, например, коэффициент трения, номинальное и фактическое давление и т.п.

Используя закон аддитивности трения можно утверждать, что суммарная мощность ЕТ, расходуемая на преодоление сопротивления на отдельных пятнах контакта, равна произведению среднего значения энергии, расходуемой на преодоление сопротивления на одном пятне на количество пятен, разрушающихся в единицу времени (n). Если каждый адгезионный мостик смоделировать в виде пружины с жесткостью , а средний путь, на котором она сопротивляется движению, обозначить через «l», то можно представить ЕТ такими выражениями:

. (2.5.3)

В первом приближении количество мостиков, разрушающихся в единицу времени, пропорционально площади (S) и давлению (р) в контакте и скорости трения V. Следовательно:

, (2.5.4)

где n0 – количество мостиков при единичных площади, давлении и скорости.

Если правую и левую части выражения 2.5.5 разделить на V, то получится выражение для силы трения FTР:

. (2.5.5)

С учетом того, что FTP = N·μ, а N/S = p, где μ – коэффициент трения, а N – сила нормального давления, выражение 2.5.5 можно упростить и записать так:

. (2.5.6)

Это говорит о том, что при преобладании адгезионного трения, а именно так происходит при трении металлов, коэффициент трения в первом приближении пропорционален прочности образующихся на пятнах контакта адгезионных связей. Это позволяет выражение 2.5.1 записать в виде:

. (2.5.7)

Все сказанное в этом разделе предполагает, что температура контакта испытываемых материалов не оказывает существенного влияния на процессы в контакте. На самом деле влияние температуры на молекулярное трение пока изучено недостаточно. Температура контактирующих поверхностей оказывает влияние не только на физические характеристики взаимодействующих материалов, но и на скорости протекания тех процессов, которые определяют время создания адгезионного соединения. Выделяются две стадии в процессе схватывания одноименных металлов под нагрузкой: пластическое смятие неровностей и структурную подстройку атомов. При низкой температуре схватывание лимитируется скоростью пластической деформации, при высокой - скоростью подстройки атомов. Феноменологически это поясняется графиком, показанным на рис. 18.

 

Рис. 18. Зависимость скорости пластических деформаций и скорости подстройки атомов от температуры

 

В некоторых работах, связанных, например, со шлифованием доказывается, что время, необходимое для активации атомов для образования адгезионных мостиков, растет с увеличением скорости шлифования. Время взаимодействия зерен шлифовального круга с материалом заготовки с ростом скорости наоборот уменьшается. На основании этого делается вывод, что при достижении некоторого критического значения скорости резания адгезионные явления исчезнут совсем. Это подтверждается всей практикой резания металлов, рост скорости резания ведет к уменьшению процессов наростообразования. Остается вопрос о роли скорости трения. Является ли она непосредственным фактором, определяющим время активации атомов, или это влияние происходит через изменение температуры контакта.

Помимо рассмотренных выше скорости трения, площади и давления во фрикционном контакте существует еще ряд факторов, о влиянии которых на излучение ВА энергии необходимо иметь представление.

Твердость менее твердого материала в паре трения оказывает заметное влияние на энергию ВА сигнала. На рис. 2.6.1 показан типичный пример изменения амплитуды ВА сигнала (СКЗ амплитуды виброускорения в октавной полосе с центральной частотой 31,5 кГц) при резании стали 45 с глубиной резания 0,1 мм на участках с различной твердостью. Эта зависимость хотя и относится к резанию, но в условиях трения характер зависимости принципиально не меняется. На рис. 2.6.1 прослеживается практически линейная связь амплитуды ВА сигнала с твердостью обрабатываемой заготовки [28, 7]. Причину этого влияния следует искать в изменениях силового фактора и прочности адгезионных мостиков. Адгезионная (молекулярная) составляющая коэффициента трения μм выражается следующим образом [26,15]:

, (2.6.1)

где τ0 – напряжение среза адгезионных мостиков при отсутствии нормальных напряжений, β – коэффициент упрочнения адгезионных связей от нормальных напряжений, σТ – предел текучести материала, с – коэффициент, учитывающий упрочнение от пластического деформирования.

Из 2.6.1 видно, что увеличение твердости (σТ) ведет к уменьшению μм. Но для металлов на μ м основное влияние оказывает коэффициент β, который не меняется с изменением твердости.

Т.о., можно предположить, что основным фактором, определяющим рост мощности ВА сигнала с увеличением твердости материала, является силовой. Рост твердости микронеровностей снижает долю пластических деформаций и увеличивает количество энергии упругих деформаций, поступающей в элементы механизма в виде колебаний. Этот фактор и ведет к линейной зависимости СКЗ амплитуды ВА сигнала от твердости.

Рис. 2.6.1. Пример увеличения амплитуды ВА сигнала при росте твердости обрабатываемого материала (сталь 45 – Т15К6; А/А220 – отношение амплитуды при текущей твердости к амплитуде при твердости 220 HB)

 

При резании и трении твердость материала в области контакта не является постоянной величиной. С изменением температуры может меняться и твердость. На рис. 2.6.2 показан пример [16] пример изменения временного сопротивления материалов с изменением температуры. Видно, что после достижения материалом некоторого значения температуры начинается быстрое снижение его прочности. Этот факт отображается в уравнении Ито-Шишокина [31]:

НТ = Н0 ехр(- ε∙∆Т), (2.6.2)

где НТ твердость тела при температуре Т; Н0 – твердость тела при номинальной температуре Т0; ε – температурный коэффициент; ∙∆Т = Т-Т0.

Непосредственное измерение температуры в контакте при трении или резании задача, пока трудно разрешимая. Еще труднее определить температуру в контакте микронеровностей, которую называют еще «температурными вспышками». Однако влияние температуры на твердость контактирующих материалов заметно отражается на изменении мощности ВА сигналов. На рис. 2.6.3 показаны октавные спектры при торцевом точении стали ХН77ТЮР. Точение проводилось от периферии к центру заготовки, т. е. с падающей скоростью. На рисунке параллельно показаны спектры начального, среднего и конечного участков точения, где средние скорости резания были 50, 25 и 12 м/мин соответственно. В верхней части рисунка 2.6.3 показаны примеры записей ВА сигналов в октаве 4 кГц по оси Х (вдоль оси шпинделя) и по оси Z (по направлению скорости резания).

Рис. 2.6.2. Изменение временного сопротивления металлов от температуры

Рис. 2.6.3. Октавные спектры при точении заготовки из стали ХН77ТЮР с разными скоростями: 1 – 50 м/мин; 2 – 25 м/мин; 3 – 12 м/мин. Вверху показаны примеры записей ВА сигналов в октаве 4 кГц при точении по торцу с убывающей скоростью.

На рис. 2.6.3 видно, что в октавных полосах 4 и 8 кГц наблюдается почти пропорциональное убывание амплитуды ВА сигнала с падением скорости резания. На примерах записей тоже видна линейная связь амплитуды и скорости. Однако в октаве 2 кГц линейная связь уже нарушается, а в октаве 1 кГц нарушается даже монотонность. В более низких октавных полосах, которые при контроле ВА сигнала в виде виброускорения имеют сравнительно малые амплитуды, наблюдается даже рост амплитуд с падением скорости резания.

Рис. 2.6.4. Октавные спектры при точении заготовки из стали 40Х с разными скоростями: 1 – 220 м/мин; 2 – 440 м/мин; 3 – 660 м/мин. Вверху показан пример записи ВА сигнала при точении по торцу с растущей скоростью.

На рис. 2.6.4 показан аналогичный пример с торцевым точением, но со значительно большими скоростями резания. Проводилось торцевое точение заготовки из стали 40Х с подачей по направлению к периферии заготовки, т.е. с растущей скоростью. В верхней части рис. 2.6.4 показана запись ВА сигнала,, где видно, что амплитуда ВА сигнала растет в течение первых 3-х секунд, далее рост прекращается и начинает медленно убывать. Рассмотрение октавных спектров показывает, что в октаве 8 кГц наблюдается монотонное падение амплитуды с ростом скорости резания, а в других октавах прослеживается экстремальная зависимость. При больших скоростях наблюдается выделение такого количества тепла, которое значительно меняет твердость обрабатываемого материала. Можно предполагать, что и при режиме сухого трении с высокими скоростями линейная зависимость амплитуды ВА сигнала от скорости соблюдаться не будет.

Увеличение шероховатости контактирующих поверхностей ведет к росту ВА излучения. Рост шероховатости означает рост размера микронеровностей, вступающих во взаимодействие при трении. Это ведет к росту силовых импульсов, возникающих при соударении, определяющих мощность ВА излучения в широком частотном диапазоне. Средняя частота следования силовых импульсов с ростом шероховатости должна снижаться, что наоборот уменьшает поступление ВА энергии. Переходя к анализу влияния шероховатости поверхностей на адгезионные характеристики контакта, надо отметить, что в работе [28] приводится зависимость фактической площади контакта (ФПК) от Rmax (Rmax – расстояние между линиями выступов и впадин профиля), где ФПК обратно пропорциональна Rmax 2/5. Здесь же можно напомнить общеизвестный факт, что чем выше класс шероховатости сопрягаемых поверхностей, т.е. чем меньше Rmax, тем жестче стык. Следовательно, уменьшение ФПК при росте шероховатости снижает суммарную прочность адгезионных связей в контакте. При взаимодействии неровностей это способствует уменьшению доли пластической деформации, увеличивая долю упругих деформаций, релаксация которых порождает ВА энергию.

Ограничиваясь качественной оценкой факторов, определяющих влияние шероховатости на излучаемую ВА энергию, можно сослаться на эксперименты, где при прочих равных условиях увеличение шероховатости всегда способствовало росту энергии ВА сигнала. Однако к такому увеличению всегда надо подходить дифференцировано по частотным диапазонам. На рис. 2.6.5 показаны октавные спектры амплитуды ускорения ВА сигнала, возникающего при контакте алмазного наконечника с цилиндрической поверхностью шлифованной детали при разных значениях Ra (Ra – среднее отклонение профиля).

Рис. 2.6.5. Изменение октавного спектра ВА сигнала при увеличении шероховатости поверхности детали из стали 45 при контакте с алмазным наконечником: 1 – Ra=0,8-1,0 мкм; 2 – Ra=1,3-1,5 мкм

 

Сказанное выше о шероховатости относится к тому диапазону условий, где рекомбинация пятен фактического контакта происходит относительно спокойно, без ударов и рывков, вызывающих одновременный разрыв всех адгезионных мостиков. Фрикционный контакт поверхностей с высокой чистотой обработки может вызывать скачки при движении, возникающие из-за схватывания поверхностей и отображающиеся в росте мощности ВА излучения. В связи с этим бессмысленно говорить о влиянии шероховатости на ВА сигнал без учета условий трения. Но можно сказать, что все условия, способствующие росту относительных колебаний в поперечном направлении, приводят к увеличению мощности ВА излучения.

Влияние температуры контакта на излучаемую мощность ВА сигнала может быть решающим. Например, если контртело под влиянием температуры приобретает повышенную пластичность, то мощность ВА сигнала может существенно снизиться. При этом пластичный материал контртела может просто выдавливаться индентором, формируя соответствующие неровности поверхности.

 




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-11-29; Просмотров: 875; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.033 сек.