РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ЭНТРОПИЙНОГО БАЛАНСА ПРОЦЕССА АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ

АННОТАЦИЯ

Исследование энергетического баланса процесса изнашивания металлических сплавов о закрепленные абразивные частицы показало, что большая часть работы трения превращается в тепло и рассеивается в окружающую среду за счет теплообмена и лишь незначительная часть идет на изменение внутренней энергии поверхностных слоев материала и продуктов износа.

Установлено, что абсолютная величина работы трения W, а также соотношения между основными ее составляющими: количеством выделившегося тепла Q и количеством скрытой энергии деформаций ΔUе, зависит не только от физико-химической природы материала, но и от условий трения.

ABSTRACT

The study of the energy balance of the process of wear of metal alloys against fixed abrasive particles has shown that most of the friction work is converted into heat and dissipated into the environment due to heat exchange and only a small part goes to the change of internal energy of the surface layers of the material and wear products.

It is established that the absolute value of friction work W, as well as the relations between its main components: the amount of released heat Q and the amount of hidden energy of deformations ΔUe, depends not only on the physical and chemical nature of the material, but also on the friction conditions.

Ключевые слова. абразивный износ, силы трения, закономерность, скорость скольжения, удельная нагрузка, алмазный круг.

Keywords. abrasive wear, friction forces, regularity, sliding velocity, specific load, diamond wheel.

1. Введение. Получены закономерности изменения мощности трения и составляющих энергетического баланса, а также закономерности процесса изнашивания и изменения температуры на поверхности трения. Проведен анализ взаимной связи закономерностей изнашивания с термодинамическими характеристиками процесса трения.

Анализ экспериментальных данных энергетического баланса процесса абразивного изнашивания металлических материалов при внешнем трении позволил подробно рассмотреть термодинамические (энергетические и энтропийные) характеристики и установить их связь с закономерностями

изнашивания [1-3].

2. Материалы и методы исследования. Основным параметром, характеризующим закономерности изнашивания материалов в зависимости от условий трения (удельной нагрузки и скорости скольжения), является скорость объемного износа.

Анализ этих данных показывает, что зависимость скорости объемного изнашивания материалов от удельной нагрузки (при постоянной скорости

скольжения) выражается степенной функцией вида

V_и  = С · p^к

где  V_и - cкорость объемного изнашивания;

С, к – постоянные коэффициенты, зависящие от материала и скорости скольжения.

Зависимость составляющих энергетического баланса процесса абразивного изнашивания от удельной нагрузки р при постоянной скорости V = 0.84 м/с (сталь 40Х)

Рисунок 1. Закономерности изменения скорости объемного изнашивания материалов в зависимости от условий трения

Подобная зависимость износа от удельной нагрузки отмечается в работах [4]. Полученную зависимость можно объяснить тем, что с возрастанием удельной нагрузки р на контурной площади контакта абразивные зерна контр тела (абразивного круга) глубже внедряются в поверхностный слой материала образцов. Кроме того, увеличивается количество одновременно работающих (внедряющихся) зерен. Это приводит к увеличению объема поверхностного слоя, подверженного деформации, а, следовательно, к повышению скорости объемного изнашивания.

Однако, увеличение глубины внедрения и количества активных алмазных зерен происходит не пропорционально удельной нагрузке р, а осуществляется по степенному закону [5-7].

Зависимость составляющих энергетического баланса процесса абразивного изнашивания от скорости скольжения V при постоянной удельной нагрузке  р= 119,3 МПа (сталь 40Х)

Рисунок 2. Закономерности изменения скорости объемного изнашивания материалов в зависимости от условий трения

3. Результаты исследования и их обсуждение. Закономерности изменения скорости объемного изнашивания материалов в зависимости от условий трения представлены на рис. 1.-2.

Зависимость скорости объемного изнашивания от скорости скольжения V (при постоянной удельной нагрузке p = const) выражается функциональной зависимостью вида

V_и= D·V ^q

где  V_и – скорость объемного изнашивания;

D,q – постоянные коэффициенты, зависящие от природы изнашиваемого материала и удельных нагрузок.

При увеличении скорости скольжения абразивные зерна алмазного круга будут чаще встречаться с изнашиваемой поверхностью образцов, причем, во столько раз, во сколько раз увеличивается скорость скольжения. Однако, износ образцов растет не пропорционально увеличению скорость скольжения, а несколько в замедленном темпе. Очевидно, частицы продуктов износа, образовавшиеся между контр телом и образцом, не успевают выноситься с поверхности трения, что снижает режущую способность алмазных зерен.

Очевидно также, что с увеличением скорости скольжения уменьшается глубина внедрения абразивных зерен в поверхностные слои материала, уменьшая интенсивность их деформирования. Это можно объяснить повышением предела текучести поверхностных слоев материала с увеличением скорости их деформирования и повышении степени их упрочнения (наклепа). Однако при высоких скоростях скольжения растет температура в зоне трения и можно ожидать снижения предела текучести за счет интенсификации процессов термического разупрочнения (динамического возврата).

Следовательно, зависимость объемного изнашивания от скорости скольжения будет определяться конкуренцией двух одновременно протекающих взаимосвязанных и противоположных процессов: упрочнения и разупрочнения.

Проведенные экспериментальные исследования позволили определить абсолютные, относительные (отнесенные к работе трения) и удельные (отнесенные к объему продуктов износа) величины энергетического и энтропийного балансов процесса абразивного изнашивания.

4. Вывод. Мощность трения W . Закономерности изменения мощности трения W от удельной нагрузки p и скорости скольжения V по данным экспериментальных исследований представлены на рис.1-2. Анализ этих данных показал, что зависимость мощности трения от удельной нагрузки выражается степенной функцией вида

W= A ·p^m,

где  W – мощность (работа) трения;

р - удельная нагрузка;

A , m – постоянные коэффициенты, зависящие от свойств изнашиваемого материала и скорости скольжения

Мощность теплового эффекта трения Q . Большая часть мощности трения (94-98,5%) превращается в тепло. Закономерности изменения мощности теплового эффекта трения Q от удельной нагрузки р и скорости скольжения V аналогичны закономерностям изменения мощности трения W и приведены на рис. 1 – 2.

Анализ этих данных показывает, что мощность теплового эффекта трения Q в зависимости от удельной нагрузки р ( при постоянной скорости скольжения V= const ) изменяется по степенному закону

Q = B pⁿ

где  B, n – постоянные коэффициенты, зависящие от физико – химической природы материала и скорости скольжения.

Значительная часть мощности теплового эффекта трения Q рассеивается в окружающую среду за счет теплообмена Q _T. Незначительная же часть мощности теплового эффекта трения задерживается в поверхностных слоях материала в виде тепловой составляющей внутренней энергии Δ U_T , повышая температуру на поверхности трения

Q = Q _T + Δ U _Т

Если правую и левую части уравнения разделить на W , получим

β =α + γ

где  β = Q / W - относительная величина теплового эффекта трения;

γ = Q_T/W-доля теплового эффекта трения, которая рассеивается в окружающую среду за счет теплообмена;

α = ΔU_T/ W - доля теплового эффекта трения, которая накапливается в деформируемых объемах и продуктах износа в виде тепловой составляющей внутренней энергии.

Соотношение между коэффициентами γ и β зависит от теплофизических свойств материала и условий теплообмена деталей трения с окружающей средой.

Список литературы:

1. Ткачев В.Н. Износ и повышение долговечности деталей сельскохозяйственных машин. М.: Машиностроение, 1971, - 166с.
2. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977 - 526 с.
3. Крагельский И. В., Михин Н.М. Узлы трения машин. Cправочник. - М.: Машиностро-ение. 1984. - 280 с.
4. Ishmuratov H.K. Wear resistance of open gears of gear teeth. // Vestnik TashGTU, -Tashkent, 2019. №2.-С.175-182.
5. Ishmuratov H.K., Irgashev B.A. Assessment of the Wear Resistance for Gearwheel Teeth in an Open Toothed Gear under the Conditions of a High Level of Dust. Journal of Friction and Wear. Volume 41, Issue 1, 1 January 2020, Pages 85-90.
6. Ishmuratov H K. Theoretical justification of gear life of cotton harvesting machines according to wear criterion. - Ph. in Technical Sciences (PhD). - Tashkent, 2019, 156 p.
7. Kh. Ishmuratov, R.K. Hamroev, B.B. Kurbonov, N.N. Mirzaev. Method for modeling the process of wear of gear teeth. Journal of Physics: Conference Series. 2022, 2176(1), 012096 doi:10.1088/1742-6596/2176/1/012096