МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ ПРИ ФРИКЦИОННОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
Институт проблем механики им.А.Ю.Ишлинского РАН, Москва
Изнашивание есть удаление материала с поверхности трения вследствие ее разрушения, проявляющееся в постепенном изменении формы и размеров взаимодействующих тел. Изнашивание машин и механизмов приводит к ухудшению работы сопряжений и выходу их из строя.
При моделировании разрушения поверхностных слоёв элементов трибосопряжений используются методы и модели механики контактного взаимодействия и разрушения c учетом ряда специфических свойств, выделяющих изнашивание в особый вид разрушения. Специфика износа заключается, прежде всего, в том, что сам факт протекания этого процесса не является критическим для работы сопряжения. Обычно допустимый износ подвижных элементов сопряжений намного больше характерного размера частицы износа [1], поэтому при работе сопряжений имеет место многократно повторяющееся отделение частиц материала с поверхности трения. Свойства (микрогеометрия, степень поврежденности и т.д.) оставшегося материала зависят от истории процесса фрикционного взаимодействия, т.е. изнашивание является процессом наследственного типа. Кроме того, изнашивание есть процесс с обратной связью. Процессы самоорганизации и формирования равновесных структур при изнашивании являются проявлением действия обратной связи [2].
Модели изнашивания обычно рассматриваются на двух масштабных уровнях (см. рисунок): макроуровень, определяющий кинетику изменения макроформы тел при изнашивании, и микроуровень, описывающий каждый элементарный акт отделения частицы с поверхности [3]. Многократное повторение расчетов на микроуровне позволяет оценить изменение характеристик сопряжения на макроуровне (изменение макроформы, сближение тел при изнашивании и т.д.) и рассчитать долговечность сопряжения по критериям износостойкости.
Рисунок - Основные этапы моделирования изнашивания и их взаимосвязь.
При построении модели изнашивания на микроуровне (нижняя часть рисунка) необходимо, прежде всего, определить физический механизм отделения частицы износа с поверхности трения. К числу наиболее распространенных механизмов изнашивания, проявляющихся в условиях фрикционного взаимодействия поверхностей, относятся абразивное, адгезионное, усталостное, коррозионно-механическое и т.д. В соответствии с установленным механизмом изнашивания выбирается критерий разрушения, рассчитываются напряженное состояние и температура поверхностных слоев, возникающие вблизи поверхности при заданных условиях контактного взаимодействия, а также другие характеристики, входящие в критерий разрушения. После этого с использованием методов и подходов механики разрушения моделируется отделение частицы и определяются новые характеристики поверхностного слоя [3,4]. Этот подход, в частности, применяется для моделирования контактно-усталостного разрушения колес и рельсов в условиях трения качения [5,6].
Анализ процессов, протекающих на микроуровне, позволяет разработать феноменологическую модель изнашивания пары трения на макроуровне (верхняя часть рисунка), определяющую зависимость скорости износа dw*/dt от макрохарактеристик контакта, таких как контактное давление p, скорость V относительного перемещения поверхностей, температура и т.д. Вид этой функции зависит от процесса, протекающего на микроуровне, и определяется на базе моделирования элементарных актов разрушения и отделения частиц износа с поверхности трения [7].
С целью расчета ресурса трибосопряжений на макроуровне разработаны общие методы анализа контактной задачи с учетом формоизменения тел при изнашивании. Эта задача в общем случае описывается системой уравнений эволюционного типа. Определены необходимые условия существования установившегося режима изнашивания. Этот режим особенно важен, поскольку основная доля ресурса сопряжения приходится на установившийся режим, который характеризуется формированием стационарной формы и стационарным (или квазистационарным при растущей области контакта) распределением давлений [8]. На основании построенных моделей процесса изнашивания ставится и решается обратная задача управления параметрами структуры поверхностей с целью оптимизации процесса изнашивания (например, минимизации времени приработки, обеспечения требуемой формы изношенной поверхности и т.д.) [3]. Построено также численно-аналитическое решение износоконтактной задачи в условиях осциллирующих нагрузок при неполном проскальзывании в области контактного взаимодействия (фреттинг-износ) [9].
Разработанные методы решения износоконтактных задач используются для расчета кинетики изменения при изнашивании контактных характеристик (контактного давления, сближения взаимодействующих поверхностей, размера области контакта и т.д.) многих трибосопряжений – подшипников скольжения, зубчатых передач, направляющих скольжения, уплотнений [10,11]. Исследование износоконтактных задач позволяет также разработать методы управления процессами изнашивания различных трибосопряжений.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Программы Президиума РАН I.16 «Развитие физико-химической механики поверхностных явлений как фундаментальной основы для разработки современных конструкций и технологий».
1. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977, 576 с.
2. Буше Н.А., Копытко В.В. Совместимость трущихся поверхностей. – М.: Наука, 1981, 128 с
3. Горячева И.Г. Механика фрикционного взаимодействия. – М. Наука, 2001, 478 с.
4. Горячева И.Г., Торская Е.В. Моделирование накопления контактно-усталостных повреждений и усталостного износа // Сб. научн. тр. “Трибология. Состояние и перспективы” / Под. ред. И.Г. Горячевой и М.А. Броновца. 2016, Уфа: РИК УГАТУ, Т.1. 134–147
5. Goryacheva I, Zakharov S. Rolling contact fatigue defects in freight car wheels // Wear., 2005, V. 258. № 78. P. 11421147
6. Контактно-усталостные повреждения колес грузовых вагонов. / Под ред. С.М. Захарова. М.: Интекст, 2004, 160 с.
7. Горячева И.Г., Чекина О.Г. Изнашивание поверхностей: от моделирования микроразрушения к анализу формоизменения. // Изв.РАН. МТТ. 1999. № 5, С. 131-147
8. Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. – М. Машиностроение, 1988, 254 с.
9. Горячева И.Г., Горячев А.П. Износоконтактная задача с неполным проскальзыванием // ПММ. 2006, Т. 70. Вып. 6. С. 10421053
10. Goryacheva I.G. Contact Mechanics in Tribology. Dordrecht: Kluwer, 1998, 344 p.
11. Солдатенков И.А. Износоконтактная задача с приложениями к инженерному расчету износа. М. Физматкнига, 2010, 160 с.
