Реологические свойства и фазовые состояния смазочных материалов в контакте качения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, кандидат технических наук Головач, Пётр Афанасьевич

• Головач, Пётр Афанасьевич
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Головач, Пётр Афанасьевич

I. ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О РЕОЛОГИИ И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ.

С.1. Краткий очерк развития теории смазочного действия в локальном контакте

С.2. Постановка задачи

3. Аппарат и методы реологии.

4. Реологические свойства смазочных материалов в объёме

5. Проблемы изучения реологических свойств смазочных слоев в тяжёлых условтях трения.

6. Нелинейное поведение смазочных слоев в тяжелых условиях трения

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ СМАЗОЧНЫХ СЛОЕВ И ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ.

М. Машина трения МИ-ШР для исследования реологических свойств смазочных слоев.

1.2. Методика получения реологических кривых.

1.3. Установка и методика для определения потерь на трение качения.

1.4. Инструментальные методы исследования поверхностей трения

3. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЛОКАЛЬНОМ КОНТАКТЕ

1.1. Реологические кривые смазочных масел.

1.2. Зависимость реологических свойств смазочных слоев от скорости нагружения.

1. Влияние скорости нагружения на деформирование смазочного слоя.

2.2. Эффективная вязкость смазочного слоя касторового масла . 75 .2.3. Реология смазочного слоя масла МС-20 при высоких давлениях в контакте

3.3. Влияние температуры и шероховатости поверхностей трения на реологические показатели смазочного слоя

3.4. Изменение реологических свойств смазочного слоя в зависимости от условий поступления смазочного материала в зону контактирования.

3.5. Влияние поверхностно-активных веществ на реологические свойства смазочного слоя.

4. СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОНТАКТИРУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ.

4.1. Структурная чувствительность реологических кривых локального контакта.

1.1. Поверхности трения без смазывания.

1.2. Поверхности трения с различными смазочными материалами . 130 .1.3. Влияние поверхностно-активных веществ.

4.2. Исследование структуры смазочных материалов на стальных поверхностях.

2.1. Поляризационные свойства смазочных материалов.

2.2. Изменение оптических свойств поверхностей в процессе трения.

4.3. Макроструктурные и химические изменения пластичных смазочных материалов в процессе трения

5. ОСОБЕННОСТИ СМАЗОЧНОГО ДЕЙСТВИЯ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВОДОСОДЕРЖАЩИХ ЖИДКОСТЕЙ.

5.1. Влияние структурного каркаса пластичных смазочных материалов на смазочное действие в локальном контакте

1.1. Особенности поступления пластичных смазочных материалов в зону контакта.

5.1.2. Реологические свойства пластичных смазочных материалов в локальном контакте при обильном и ограниченном смазывании

5.1.3. Антифрикционные и противоизносные свойства пластичных смазочных материалов

5.2. Реологические свойства водосодержащих жидкостей в ло- * кальном контакте

5.2.1. Особенности исследования реологических свойств водосодержащих жидкостей.

5.2.2. Влияние температуры и материала контактирующих поверхностей на реологические свойства гидравлических жидкостей

5.2.3. Противоизносные и антифрикционные свойства гщравличе-ских жидкостей.

6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Реологические свойства и фазовые состояния смазочных материалов в контакте качения»

26-м съездом КПСС взят курс на повышение эффективности и качества общественного производства. Одним из путей достижения этой цели является повышение уровня механизации и автоматизации действующих производств и комплексная механизация вновь создаваемых. Это неизбежно приводит к увеличению парка машин и механизмов, поставленных на службу обществу, следовательно - и к увеличению расходов на их эксплуатацию и содержание. Отсюда вытекает актуальность повы-пения износостойкости, надёжности и долговечности машин и сооружений.

Уже в настоящее время в нашей стране расходуется ежегодно около 12 млрд. руб. на ремонт машин и оборудования [51] . Особенно интенсивно изнашивается сельскохозяйственная и горнодобывающая техника. Затраты на ремонт тракторов и изготовление запчастей к ним при-дерно в 4 раза превышают затраты на изготовление новых тракторов. Зо оценкам [юв] , около 30$ энергии, вырабатываемой в промышленно развитых странах мира, в конечном счёте расходуется на трение. В Англии, Японии, ФРГ ежегодно теряется более 2 млрд. дол. в результате износа. Негфоизводительные затраты на смазку, техническое обслу-швание и ремонт узлов трения в ФРГ составляет 12,5 млрд. марок в сод. При этом отмечается, что эти потери можно уменьшить примерно в 2 раза путём применения на практике последних достижений трибоники.

Первое серьёзное обобщение триботехнических знаний с целью эко-юмии национальных ресурсов проведено в Англии в 1966 году /доклад ]доста/. Подсчитано также, что выполнение рекомендаций доклада Джо-;та в США уже в 1977 году позволило бы сэкономить около 25 млрд. дол. Зтоль высокая эффективность обусловлена тем, что экономия энергии с юмощью трибоники заключается не только в снижении потерь на трение. Значительная экономия достигается снижением износа деталей и уменьюнием производства запасных частей. В связи с этим сокращается до-¡ыча и производство материалов для запасных частей, которые также ¡вязаны с большими энергетическими затратами ¡28^ .

Многомиллиардные материальные и энергетические потери, которые [есёт человечество вследствие трения и износа деталей машин, выдви-'ают исследование закономерностей функционирования трибосистем с це-сью оптимизации их параметров в ряд актуальных задач научно-техниче-¡кого прогресса.

Одним из важнейших аспектов воздействия на триботехнические ха->актеристики узлов трения является применение смазочных материалов ГСМ/. В настоящее время выбору СМ для узлов трения уделяется недостаточно внимания. Подбор осуществляется в основном эмпирическим путём, [ля того, чтобы СМ в наибольшей степени соответствовал конкретным условиям трения по критерию минимальных износа и потерь на трение, [еобходимо изучение механизмов смазочного действия различных композитов СМ, их совместного действия и условий максимальной эффектив-юсти того или иного вида смазочного действия. А поскольку механизм ¡мазочного действия реализуется, как правило, на микроплощадках, юд влиянием поля твёрдых фаз, актуальной является также оценка их влияния на трение и износ. Решение этих воцросов позволит црибли-шться к аналитическому конструированию СМ по прогнозируемым веду-дам механизмам смазочного действия в заданных условиях трения.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О РЕОЛОГИИ И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ. С.1. Краткий очерк развития теории смазочного действия в локальном контакте.

Требования технического прогресса, направленные на повышение эффективности и экономичности машин и механизмов, неизбежно приводят к повышению удельных показателей /мощностных и силовых/ всех агрегатов, в частности, таких, передаточными звеньями в которых яв-[яются зубчатые передачи. Высоконагруженные передачи позволяют эко-юмить материальные и энергетические ресурсы не только за счёт умень-юния материалоёмкости, но и за счёт использования эффективных, на-гчно обоснованных рекомендаций по поверхностной обработке трущихся деталей и применении таких СМ, которые для данных условий трения в гаиболыпей степени соответствуют требованиям по уменьшению износа [ потерь на трение за счёт оптимального сочетания различных видов ¡мазочного действия. О том, насколько непроста задача определения :ак одного вида смазочного действия, так и их оптимального сочетания, !видетельствует тот факт, что СМ применялись ещё в 2000 году до н.э. 'это подтверждено археологическими находками, но, вероятно, эта дача отстоит ещё далее, т.к. обнаружение материальных или письменных ¡видетельств применения СМ в более ранний период является более слож-гой задачей/, и лишь в 1883 году русским инженером /впоследствие ин-:енер-генерал-лейтенантом, почётным членом Петербургской академии саук/ Н.П.Петровым были опубликованы результаты работы /100-летие :оторой отмечено в 1983 году/, в которой были заложены основы расчё-■а гидродинамической несущей способности смазочного слоя /СС/. Но же с момента появления этой работы и в ходе её дальнейшего развития [.Е.Жуковским, С.А.Чаплыгиным. О.Рейнольдсом, А.Зоммерфельдом, А.Ми-селлом и др. было ясно, что гидродинамическим видом смазочного дей-¡твия нельзя объяснить всё многообразие явлений при трении со смазкой жидкими маслами. К этому времени Герси [иэ] и Штрибеком была установлена зависимость коэффициента трения подшипника скольжения эт безразмерного параметра / 2 " вязкость масла, СО- - часгота вращения шипа, Д/ - нагрузка на подшипник/. Эта зависимость имеет минимум, который, по мнению авторов, обусловлен переходом от "смешанного трения" к гидродинамическому, Выявление этой зависимости способствовало упорядочению по параметр у множества ранее несопоставимых экспериментальных данных. В то же время, разграничение видов трения по этому параметру не позволяло выявлять ведущие механизмы смазочного действия цри "смешанном трении", под которым ложно понимать и гидродинамическое, и граничное трение с несплошным НС.

Сложный механизм и многоликость понятия "граничное трение" на молекулярном уровне в наибольшей степени раскрыты в монографии [б^

С.Ахматова. В ней, в частности, показано, что строение /и свойства/ граничных слоев зависят не только от свойств молекул СМ, но и от звойств поверхностей твёрдых фаз, а точнее - от их поверхностной энергии. Открытый П.А.Ребиндером /1928г./ эффект адсорбционного понижения прочности твёрдых тел вследствие уменьшения их поверхностной энергии при взаимодействии с полярными молекулами, что выражалось в диспергировании и пластифицировании твёрдых поверхностей, на прак-гике подтвердил актуальность и значимость вопроса взаимодействия зреды и твёрдых поверхностей. Влиянию поверхностных явлений на физические тела и их адгезию посвящена работа Дерягина Б.В.Х, дополня-ощая упомянутые работы.

Но и хорошо изученная и разработанная теория граничного трения не объясняла, почему в условиях работы пар трения с точечным или линейчатым контактом , когда гидродинамический режим трения не может 5ыть реализован, они разделяются СС, толщина которого на несколько

8Г.^.•

Дерягин Б.В. Адгезия твёрдых тел. - М.: Наука, 1973. - 279с. юрядков превышала возможную толщину граничного СС. В условиях рез-:ого противоречия экспериментальных фактов теоретическим предпосыл-:ам возникла теория гидродинамики в локальном контакте - контактно-'идродинамическая теория смазки /КГТС/, основателями которой явля-зтся советские учёные А.М.Эртель /1945/, А.Н.Грубин , А.И.Пе-ррусевич [б7] . /Первая зарубежная публикация по КГТС. принадлежит 1оусону и Хиггинсону/. Эта этапная в развитии трибоники теория, в соторой подробно рассмотрены закономерности дефорнирования контактирующих поверхностей и разделяющего их слоя СМ, дала ответы на многие вопросы, выдвигаемые практикой.

1.2. Постановка задачи.

Тем не менее, одно из основных положений КПСС - затвердевание ЗС в локальном контакте - не конкретизирует механизм этого явления I процессы, происходящие при этом. Это неудивительно, поскольку для объяснения смазки высоконагруженного контакта достаточно было такого "чёрного ящика", как затвердевший СС, который способен релакси-ровать при изменении давления на него. Однако и КГТС, в течение ряда лет исправно"работающая" на трибонику, не способна объяснить ряд тлений, наблюдаемых,при трении. Основная причина такого положения -- сложная взаимосвязь физико-химических и механофизических превра-цений СС, многие из которых находятся в условиях динамического равновесия лишь при установившихся метастабильных параметрах трибоси-зтемы в процессе трения. Очевидно, КГТС потому и предстаёт такой изящной и стройной, что все эти статистически зависимые и независи-дые друг от друга превращения заключены в "чёрный ящик", не заслоняя эсновной идеи. В то же время очевидно, что познание более тонких деханизмов смазочного действия требует раскрытия закономерностей этих превращений. В частности, представляет интерес исследование разовых и структурных изменений СС в локальном контакте и их связь зо структурными цревращениями поверхновтей трения.

Повышение скоростных и нагрузочных характеристик зубчатых передач приводит к увеличениюконтактных напряжений и тепловыделения 1 зоне контакта. Представляется целесообразным исследовать поведе-ие СС в таких условиях путём определения его физических, в частно-ти - механических, - свойств, которые, с одной стороны, являются езультатом физико-химических процессов, протекающих в зоне трения, . с другой - определяют состояние СС и характер взаимодействия твёр-ых поверхностей в его присутствии /СС является, таким образом, ре-ультатом условий, реализуемых в зоне трения, и в то же время он в начительной мере влияет на комплекс этих условий/. Исследование ме-анических свойств СС является, конечно же, лишь первым приближени-м к раскрытию механизма его смазочного действия, но в то же время тот путь является объективным, поскольку именно механические харак-еристики СС, являясь производными от множества факторов, позволяют авать оценку функционирования и работоспособности СС в парах тре-ия, о которых известны лишь исходные данные в виде скоростных и на-рузочных показателей.

Механическими по сути являются так называемые реологические войства СС, которые определяют зависимость его деформации от при-оженного усилия. Поэтому в качестве одного из путей решения постав-енной задачи было избрано исследование реологических свойств СС и оверхностей трения в зоне локального контакта. Для этих целей бы-и привлечены аппарат и методы реолопии.

1.3. Аппарат и методы реологии.

Реология /от греческого, что означает "теку" [юэ] / -область механики сплошных сред. Основы реологии дисперсных систем аложены классическими исследованиями русского учёного Ф.Н.Шведова 1859 году [юб]| . Эта наука занимается изучением закономерностей сформирования материальных тел. Для описания этих закономерностей реологии введены понятия идеальных тел, которые в "чистом" виде онлощагат те или иные фундаментальные реологические свойства: абсо-ютно жёсткого /тело Евклида/, упругого /тело Гука/, пластичного те-о Бингама-Воларовича/, вязкого /тело Ньютона/ и невязкого, сверхте-учего /тело Паскаля/ [87^ . Реологические свойства любого встречавшегося в природе тела можно описать комбинацией свойств приведенных ел. При этом первое и последнее тела воплощают в себе границы прак-ической применимости методов реологии. С точки зрения реологии раз-еление тел на твёрдые и жидкие, или газообразные, является условным, :оскольку телам, которые в обыденной жизни воспринимаются как твёрже, присуща текучесть, а вода, например, в условиях быстрого нагру-:ения, ведёт себя как твёрдое тело. Что касается такого сложного, ногокомпонентного тела, как тесто, то оно почти в равной мере обедает упругостью, вязкостью и пластичностью, поэтому обычно его не •тносят к какому-либо установившемуся классу реологических тел.

О широкой применимости методов реологии для решения различного юда задач свидетельствует хотя бы такой факт: они используются в 1идро- и аэромеханике. Наиболее широко методы реологии распространена в нефтехимической промышленности, в частности, при производстве юлимеров и изделий из них, при производстве и испытаниях пластичных ;мазочных материалов /ПСМ/. Реологические по существу методы исследования давно применяются и в трибонике /см. Ниже/. Для реологии в це-юм характерно, что её аппарат и методы не существуют сами по себе, эни находят применение в самых неожиданных областях познавания материального мира. Это и процесс формообразования и выпечки хлеба, который учитывает сложное реологическое поведение теста, и процесс деформирования стали, включающий упругое деформирование /закон Гука/ и пластическое течение вплоть до разрушения, хорошо изученный такой наукой, как сопротивление материалов. Реология впервые дала объяснение высоким скоростным качествам дельфина [юэ] . Этот перечень можно продолжить, хотя уже ясно одно: такое широкое применение реолоия находит благодаря тому, что она изучает фундаментальные свойства I закономерности изменения механических свойств материальных тел в зависимости от условий деформирования. Необходимо подчеркнуть, что реология изучает только механические характеристики материальных тел. Именно они определяют их силовое взаимодействие друг с другом и закономерности их деформирования. Кроме этого, реология изучает эти 5войства именно в процессе деформирования, поскольку деформация тел сак процесс формоизменения понимается в реологии как течение. Можно )читать, что деформация и течение являются адэкватными с точки зре-шя реологии процессами. Течение при этом понимается обобщённым и южет выражаться как линейными, так и относительными величинами и IX производными по времени. Изменение этих величин может рассматриваться относительно времени, приложенного усилия, давления и т.д. 1олучаемые зависимости обобщённого течения относительно обобщённой )си абсцисс носят название реологических кривых /РК/. Несмотря на эазнообразие размерностей осей абсцисс и ординат, РК всегда отражает закономерности течения конкретного тела.

Чтобы в дальнейшем можно было с физической точки зрения трактовать закономерности деформирования реальных тел, необходимо рассмо-?реть РК идеальных тел с различными реологическими свойствами и ме-:анизмн, обуславливающие эти свойства. РК на рис. 1.1А характеризу-зт жидкость, подчиняющуюся закону Ньютона /ньютоновская жидкость/. Течение /деформация/ этого тела начинается с самого малого напряжения сдвига, при этом градиент скорости сдвига у1 пропорционален на-гряжению сдвига £ • Вязкость такой жидкости определяется из уравне-1ия Ньютона:

РК на рис. 1.1Б характеризует такое реологическое тело, которое

1.1

1,2 Г

Л) Ньютоновская жидкость. Г, Г

В) Псевдопластичное тело. в I

Б) Пластичная жидкость (тело Бингама) г

Г) Полная реологическая кривая Оствальда. У вй

Д) Тело Шведоиа. а

Е) Идеально хрупкое тело.

Рис. 1.1 . Основные типы реологических кривых. ачинает пластически деформироваться лишь после некоторого предельно напряжения & .'Выше предельного напряжения величина деформа-тш зависит линейно от приложенного напряжения. Тело, деформация ко-орого описывается такой РК, называется телом Бингама /или Бингама-оларовича, согласно Гюб] /. Течение такого тела описывается следу-щим уравнением: кУ*^$ ^ . где называется пластической /бин-амовской/ вязкостью и характеризует угол наклона линейного участка К к оси абсцисс.

С точки зрения математического описания РК ньютоновской жидкости тела Бингама, они различаются лишь слагаемым & . Неизмеримо боль-ую информацию даёт физическая трактовка этого различия: очевидно, ело Бингама подверглось хрупкому разрушению /см. рис. 1.1Е - РК иде-льно хрупкого тела/, но цри этом изменило своё реологическое состо-ние и при дальнейшем увеличении ^деформировалось как вязкая жид-ость.

В природе встречается очень мало тел, которые почти в чистом ви-е обладали бы каким-либо одним фундаментальным реологическим свойст-ом. В частности, минеральные масла при низких температурах, ПСМ, ос-аточные продукты нефтепереработки по своим механическим свойствам анимают промежуточное положение между жидкими::и твёрдыми телами, ни являются сложными дисперсными телами, механические свойства кото-ых зависят как от величины и направления действия нагрузки, так и от корости и времени приложения нагрузки. Именно благодаря такой зави-имости, реологические методы исследования сложных дисперсных систем вляются плодотворными и информативными, поскольку они позволяют опре-елять условия, при которых происходят изменения реологических свойств, работах П.А.Ребиндера и его школы всегда подразумевался, по-видимо-у, один из самых общих постулатов реологии: вязкость и другие реоло-Ешеские свойства остаются неизменными до тех пор, пока не^зменяется груктура материала. В рассмотренном выше примере с телом Бингама позря прочности и начало течения связаны, очевидно, с изменением 1утреннего строения этого тела на макро- или микроуровне. Примени-зльно к ПСМ, которые являются вязко-пластичными телами, предельное шряжение сдвига характеризует предельное упрочнение материала, noie которого наступает изменение надмолекулярных структур.

Представленная на рис. I.IB РК псевдопластичного тела также яв-ются проявлением сложных реологических свойств. На участке задиент скорости непропорционален напряжению сдвига /это характерно ш течения многих коллоидных растворов и суспензий/. Выше напряже-1Я ^ такое тело ведёт себя как тело Бингама. Величина вязкости jевдопластичного тела на начальном участке РК непостоянна, поэтому ш каждых конкретных условий её называют кажущейся или эффективной 1зкостыо фру ô<t ~ динамическое предельное напряжение сдвига.

Сложное реологическое поведение тел можно объяснить, к примеру, [ilj , концентрацией, формой и взаимодействием дисперсной фазы /из-зльчёиного вещества/,находящейся в дисперсионной среде /мы будем рас-латривать только жидкие дисперсионные среды/. Взаимодействие частиц юперсной фазы приводит к возникновению связей между ними и фиксации с взаимного положения. Дисперсные системы, в которых произошло струк-ррообразование в дисперсной фазе, называются структурированными, груктурообразование происходит в результате действия сил притяжения i отталкивания. Применительно к молекулам такими силами являются ты Ван-дерВаальса как наиболее универсальный вид взаимодействия шрочастиц. Впервые Дерягин и Ландау сформулировали такую точку зре-1я, что соотношение между силами молекулярного притяжения и отталки-шия /электростатического/ частиц определяет основные свойства си-семы этих частиц, в том числе её устойчивость и структуру. Количест-знный анализ соотношений между энергиями притяжения и отталкивания астиц при изменении расстояния между ними принадлежит Фервею и Овер-зку. Б целом эти систематизированные взгляды на свойства дисперсных стстем известны как "теория ДЛФО". Эта теория, в частности, объяснят упругость и хрупкое разрушение каркаса дисперсной фазы пластичных плазочных материалов, их способность давать неограниченно большие еформации, подобно жидкости [105^ , а также процессы тиксотропного осстановления /слипания/ структурного каркаса при его разрушении.

Графическую интерпретацию деформации тела со сложными реологиче-кими свойствами даёт Р К Оствальда /рис. 1.1Г/, которая охватывает рактически все возможные виды течений. Начальный линейный участок К обусловлен деформированием вязкой жидкости, вязкость которой определяется утлом ^. Для РК пластичных тел в координатах /2Ч~ У этот гчасток может быть обусловлен начальной уцрутой деформацией. Участок I - область аномалии вязкости, который может быть обусловлен, к пригару, разрушением мицелл по мере увеличения их взаимодействия при юзрастающей скорости деформации. Аномалия вязкости масел, обуслов-генная мицеллярным строением /структуризацией/, исследована К.С.Ра-1айя^85, 8б] . Участок б - псевдоламинарная область течения, обу-;ловленная переходом к другому механизму вязкости, величина которой )пределяется углвм ^ . В общем случае угол наклона может быть таким, что продолжение его не цройдёт через начало коррдинат, что эбуславливается наличием предельного напряжения сдвига /тн^тчв^копу. Гчасток в - область турбулентного режима.

Из анализа РК Оствальда видно, что характерные участки и переводы между ниш отражают процесс деформирования тела, которое изме-аяет свои реологические свойства при изменении величины деформации. Додно предположить в связи с рассмотренными выше примерами, что все эти изменения, связаны со структурной перестройкой деформируемого тепа, которая и приводит к изменению механизма деформирования. Вместе с тем, понятия структурного и фазового состава деформируемого,тела взаимосвязаны. Фазой называется часть системы, одинаковая во всех точках по химическому составу и физическим свойствам и отделённая от эугих гомогенных частей системы поверхностями раздела Очевидно, со физические свойства фазы как части системы, при прочих равных зловиях, будут оцределяться именно макро- или микроструктурой, об-азованной какими-либо однородными образованиями /это могут быть ато-а, ионы, молекулы, органические молекулы, агрегаты молекул и т.д./. качестве примера можно привести лёд, воду и "дезинтегрированную" оду /такую воду получают путём интенсивного механического перемеши-ания, в результате которого разрушаются агрегаты молекул/, в кото-ых различное.относительное расположение одинаковых молекул обуслав-ивает различие физических свойств. Поэтому одним из признаков изме-ения фазового состояния системы /деформируемого тела/ является из-:енение его реологических свойств, которые связаны, в соответствие с :остулатом Ребиндера, с изменением структуры. Однако общий вид РК ;опускает иногда неоднозначность при определении ведущего механизма сформирования и, следовательно, изменений структуры. Поэтому полу-сение достоверных результатов по определению фазовых состояний и пе-юходов возможно лишь при комбинировании различных реологических и юреологических методов исследования.

Сложное реологическое поведение реальных тел обусловлено комби-1ацией основных реологических свойств. Даже такие широкорасцростра-зённые реологические модели для описания сравнительно цростых в реологическом отношении тел, как тело Максвелла и тело Кельвина, вклю-1ают в себя два реологических свойства: упругость и вязкость. Более зложные комбинации реологических свойств определяют существующее множество реологических тел £109~} . Отметим, что наиболее удачные, практически важные реологические модели названы фамилиями учёных, их предложивших и написавших, Одной из таких моделей является тело Шведова, РК которого представлена на рис. 1.1Д. Это тело обладает статическим &$ и динамическим предельным напряжением сдвига. * Даниэльс Ф., Олберти Р^ Физическая химия. - М.: Мир, 1978. - 645с. ри напряжении свыше оно ведёт себя как тело Бингама или псев-[опластичное тело. Чтобы иметь такую простую по внешнему виду РК, юдель тела Шведова включает в себя модель тела Гука, Сен-Венана 'тело, сопротивление деформированию которого не зависит от величины [еформации/ и Максвелла.

1.4. Реологические свойства смазочных материалов в объёме.

Прежде чем, в соответствие с поставленной задачей, перейти к »ассмотрению реологических свойств смазочного слоя /СС/., для СМ в >бъёме рассмотрим их реологические свойства и влияние на них различ-шх факторов. Их сопоставление необходимо.для более глубокого пони-[ания результатов экспериментов.

Вязкость однородных жидкостей является постоянной величиной. [ьютоновская вязкость жидких нефтепродуктов при температурах 283 - ' о л

• 423К находится в интервале 10° - 10 Пз. Вязкость зависит от мно-•их причин. Экспериментально установлено, что величина., вязкости вязана со строением молекул и числом атомов в них, причём с увели-:ением молекулярного веса вязкость возрастает. Вязкость увеличивает-я также в ряду: углеводороды с нормальными цепями - ароматические тлеводороды - нафтеновые углеводороды.

Наиболее важным физическим параметром, от которого зависит вяз-юсть жидкостей, является температура. Для ньютоновских жидкостей лссипативный нагрев является единственным существенным механизмом, юторый вызывает отклонение РК от линейной зависимости. Уменьшение язкости с увеличением температуры для различных жидкостей цроисхо-дт неодинаково. Влияние химического состава сказывается в том, что ри равных вязкостях температурные коэффициенты вязкости /ТКВ/ раз-ичных жидкостей различаются. С увеличением вязкости это различие ¡озрастает. ТКВ увеличивается с уменьшением температуры и также за-исит от состава жидкостей. Эмпирически установлена зависимость меж-;у плотностью жидкости и её вязкостью, что также подтверждает взаимовязь строения жидкостей с их вязкостью.

Молекулярная ассоциация таких жидкостей, как вязкие нефтецро-;укты и другие жидкости с большим молекулярным весом, приводит к то-у, что силы их молекулярного взаимодействия превышают силы, расчи-■анные на основе молекулярно-кинетических представлений, Кроме этого, ;ак показано К.С.Рамайя [86^ , в широком интервале температур зави-1Имость вязкости от температуры может иметь один или два перелома. >то свидетельствует об изменении структуры таких аномальных жидкостей 5 зависимости от температуры.

Не менее важной представляется зависимость вязкости от давления,^ юскольку условия работы тяжелонагруженных зубчатых передач и под-шпников качения характеризуются давлениями в локальном контакте по-)ядка 3000 МПа и выше. Увеличение вязкости с ростом давления оценивается пьезокоэффициентом вязкости /ПКВ/, который , также как и ТКВ, (ависит от многих факторов: молекулярного строения, давления, темпе-)атуры жщцсости. С увеличением молекулярного веса ПКВ увеличивается, ; уменьшением температуры он также возрастает. При давлении порядка ЮО МПа вязкость смазочных масел увеличивается в 8 - 40 раз по срав-шнию с вязкостью при атмосферном давлении. Вязкость растительных насел менее чувствительна к давлению, чем вязкость минеральных масел. ЖВ в значительной степени определяется молекулярной структурой /дли-юй цепи, степенью разветвления молекул и т.п./. Для некоторых моле-сулярных структур при изменении давления от I до 200 МПа изменение

Зависимость вязкости от давления лишь частично можно объяснить уменьшением межмолекулярных расстояний вследствие сжимаемости жид-гостей. Вполне вероятно, что при давлениях свыше 100 МПа объём мо-(текул также изменяется, при этом сложные молекулы, как более гибкие, реформируются значительно больше, чем простые и жёсткие молекулы, авление, особенно в условиях сдвига ¡71^ , способствует различным зязкости может достигать имическим реакциям, в том числе конденсации, полимеризации, в результате которых значительно изменяются механические свойства жид-остей. Известен такой факт: олеиновая кислота при давлении пример-о 300 МПа затвердевает и после снятия нагрузки не переходит в жид-ое состояние. Даже такие гетерогенные смеси, как минеральные масла, ри высоких давлениях необратимо повышают свою вязкость либо затвер-евают. Обнаружено также превращение жидкости в гель вследствие за-устевания некоторых её составляющих при определённых сочетаниях авления и температуры.

Уменьшение зависимости вязкости от температуры при повышении емпературы способствует повышению несущей способности локального онтакта. Уменьшение такой зависимости логично связать с некоторым редельным разрушением агрегатов молекул вследствие броуновского вижения. Очевидно также, что деформация и сближение молекул в усло-иях нагружения зубчатых передач приводят также к образованию но-ых химических связей, изменению структуры .жидкостей и их реологиче-ких свойств. Явления структурообразования в маслах и их влияние на язкостно-температурные и пьезовязкостные свойства до температуры, а 20 К превышающей температуру застывания, исследованы в [17") .

Рассмотрим особенности реологического поведения структурирован-ых СМ и метаморфозы их структуры в зависимости от различных факто-ов.

Молекулы комплексных мыл, которые часто используются в качест-е одного из компонентов дисперсных систем, способны образовывать идкокристаллическую структуру. Основными типами мезоморфной упоря-оченности органических жидкокристаллических систем являются немати-еский, смектический и холестерический {^б"] . Наиболее характерным реологическом поведении таких дисперсных систем является зависимость язкости от концентрации загустителя в области малых напряжений сдви-а. При изменении концентрации вязкость увеличивается, проходит чеюз максимум, а затем уменьшается. Концентрация, при которой наблю-дется максимум вязкости, связывается с началом жидкокристаллического порядочения. Германе х установил, что напряжение сдвига влияет на тношение вязкости к концентрации загустителя. При этом обнаружено, то начало анизотропии наблюдается при возрастающих напряжениях сдви-а по мере уменьшения концентрации. Кроме этого, выше некоторого редельного напряжения сдвига не наблюдается различия,в вязкости двух аз. Это объясняется тем, что упорядочение молекул в результате двига при высоких напряжениях сдвига больше упорядочения за счёт ермодинамически устойчивой компоновки молшеул.

Несколько иначе влияет на реологические свойства дисперсных си-тем температура. Критическая концентрация начала анизотропии увенчивается с увеличением температуры, что связано с увеличением ибкости полимерных молекул под влиянием температуры. Вязкость ани-отропной фазы характерным образом зависит от температуры. Вначале, повышением температуры, она быстро уменьшается, достигает минималь-ого значения, а при дальнейшем повышении температуры снова увеличи-ается. Это сопровождается переходом анизотропной фазы в изотропную, а полную РК также накладывает влияние и тепловой распад структу-ы ¡11 j , в результате чего между линейными участками РК появляют-я нелинейные, переходные участки.

Низкая вязкость анизотропной фазы при малых скоростях сдвига вязывается с ориентацией палочкообразных молекул в направлении по-ока. В качестве ведущего механизма, объясняющего такое реологиче-кое поведение, предлагается следующий: под влиянием напряжения сдви-а в жидкокристаллических растворах возникают рои палочкообразных олекул с параллельной ориентацией. Действие напряжения сдвига при-одит к образовании системы частиц с достаточно высокой степенью па-аллельной ориентации, благодаря чему межмолекулярные силы могут

Hm^mi 0 Jr.: У. (Micl 4Ы., 1?, gZ8(<962). эддерживать жидкокристаллическую фазу. Примером тому могут служить езультаты исследования влияния ориентации частиц на вязкость, кото-ые приведены в различных по направленности работах £*16 , 42 , 87, Зб"] . Такой механизм объясняет неньютоновский характер течения об-азованием упорядоченных роёв молекул. По-видимому, образование обла-гей с'жидкокристаллическим порядком, в которых молекулы полимера од влиянием сдвига ориентируются параллельно друг другу, и уменыде-яе напряжения сдвига являются причиной неоднократно наблюдавшегося иеныпения расхода горючего после заливки в двигатель коллоидной меси моторного масла и полимеров. Аналогичные результаты приведены ^122^ . Даже малые добавки полимеров в жидкость приводят к синению гидродинамического трения /эффект Томса/. Предположительным еханизмом такого эффекта является подавление турбулизации жидкости ри обтекании тела путём ориентации молекул полимера под действием апряжений.сдвига.

Структурированные ПОТ содержат два вида структуры. Конденсаци-нная структура образуется сразу после охлаждения свежеприготовлен-ого СМ и при механическом разрушении не восстанавливается. Тиксо-ропная, или обратимая, структура после разрушения частично восста-авливается. Прочность первоначальной конденсационной структуры при сех концентрациях загущающих мыл может быть в 20 раз выше прочности иксотропно восстановленной структуры после разрушения.

В процессе деформирования структурного каркаса ПСМ он претерпе->ает различные изменения. Подробное описание этих изменений дано в [б5, 93~] . Кривая Оствальда /рис. 1.1Г/, как обобщённая реологиче-кая кривая, хорошо описывает деформацию ПСМ. При небольших нагруз-ах они ведут себя как упругие тела /начальный линейный участок РК/. ;еличина упругих деформаций, согласно [ю&] , не превышает 1%. В о же время, в ^10з] ПРИВЕДЕНЫ ДАННЫЕ^ согласно которым величина Тратимого сдвига в движущейся вязкоупругой жидкости может достигать

О и более /ввиду огромного числа звеньев в полимерной цепи молеку-ы и закрутки молекулы даже такая относительная деформация молеку-ы не представляется большой/. Увеличение деформации приводит к уве-ичению числа разрушенных связей структурного каркаса, поэтому остав-иеся связи деформируются на большую величину, при этом РК отклонятся от линейной зависимости /участок а/. При достижении предела те-учести происходит лавинное разрушение связей, часть из которых усевает тиксотропно восстанавливаться. На РК Оствальда этому состоя-ию соответствует начало участка а. При очень высоких скоростях де-юрмирования собственная вязкость дисперсной фазы начинает превали-овать над сопротивлением каркаса, и система начинает проявлять нью-оновские свойства |*65, 117j. Этому режиму соответствует участок б.

Температурные и механические воздействия на ПСМ приводят не олько к разрушению структурного каркаса, но и к деструкции отдель-нх полимерных молекул. Влияние различных факторов на состояние мо-;екул структурного каркаса исследовано в j70, 115, I24J. Возникающие ри деструкции молекул радикалы химически активны, их взаимодействие [риводит к изменению структуры и физико-химических свойств СМ. При том, чем больше молекулярный вес молекул, тем более значительные вменения происходят в ПСМ .

Почти все неньютоновские жидкости, к которым относятся и дисперс-ые системы, каковыми являются ПСМ, обладают вязкоупругостью. Иссле-;ование влияния этого качества позволило выявить отрицательное влия-ие неньютоновской вязкости на несущую способность разделяющего твёрдо поверхности гидродинамического СС 8, 103 и др7| . Для жидкостей ; сильно выраженными неньютоновскими свойствами в зависимости от •радиента скорости сдвига кажущаяся /эффективная/ вязкость /следова-'ельно, и несущая способность/ может различаться в 10^ раз £lo£j. днако в тяжёлых условиях смазывания, например в режиме медленных пе-•емещений, а также при сверхвысоких давлениях, когда возникают заметне нормальные напряжения /эффект Вайссенберга/, по несущей способ-ости неньютоновские жидкости могут превосходить ньютоновские.

Для дальнейшего рассмотрения механизма изменения фазовых состо-пий и реологических свойств СС представляется целесообразным прилечь результаты других исследований по изучению влияния твёрдой фа-ы на реологию СМ на границе раздела фаз.

Ещё Н.П.Петров ввёл в свою формулу коэффициент скольжения жид-юс ти по твёрдому телу как отношение коэффициентов внутреннего и нешнего трения. Им же было отмечено, что для большинства жидкостей роскальзыванием можно пренебречь. Большая роль в исследовании эф->екта пристенного скольжения жидкостей и дисперсных систем принад-:ежит Д.М.Толстому. Установлено, что наиболее часто пристенное сколь-:ение /П-эффект/ наблюдается у суспензионных дисперсных систем, об-здающих предельным напряжением сдвига /ПСМ, смазочные масла при низ-ш: температурах, мыла и т.д./ . Коэффициент скольжения резко ависим от условий смачивания. Лиофобизируя или лиофилизируя поверх-:ость твёрдого тела с помощью ПАВ, можно управлять П-эффектом. Эти ;анные существенно дополняютвя исследованиями фазовых состояний СС, «полненными школой A.C.Ахматова.

Пристенное скольжение может быть локализовано либо в монослое дикости на твёрдой поверхности, либо выступать как суммарный резуль-ат всех изменений градиента скорости сдвига вблизи границы твёрдого ела. При исследовании граничной вязкости жидкостей, толщина слоя ко-орых изменялась от 0 до 250 - 300 Ä, методом сдувания было обнаруже-:о, что полярные вещества имеют скачок в изменении пристенной вязко-ти, в то время как вязкость неполярных жидкостей изменяется непре-ывно £27]. Поэтому, на основании непрерывного изменения вязкости и тсутствия резкой границы раздела в переходном слое был сделан вывод том; что фазовые состояния неполярных жидкостей в объёме и адсор-ированного слоя одинаковы. Но определение фазы включает в себя, крое наличия границы раздела, гомогенность химического состава и химиеских свойств. Б данном случае это условие не соблюдается, поэтому, огично предположить, что переходной слой неполярных жидкостей, так е как и полярных, не является однофазным. Что же касается непрерывости изменения его свойств, то, с позиции диалектического материализа, одной из общих форм скачков как качественных изменений являются акие, когда переход к новому качеству цроисходит постепенно ¡110, 8б], объект изменяется не сразу и целиком, а отдельными своими торонами, элементами. Поэтому, строго придерживаясь определения фаы, весь переходной слой следует отнести к границе раздела между вёрдой фазой и жидкой фазой неполярной жидкости. На особое состояие неполярной жидкости в граничном состоянии, сходном с жидкокриталлическим /смектическим/, указано вГб|. Толщина переходного слоя, о ь л

1авная нескольким сотням А, для практических измерений является доста-очно локализованной.

Вязкость граничных слоёв вблизи твёрдых поверхностей может быть ольше или меньше объёмной вязкости. Вязкость поверхностно-активных тлеводородов при толщинах 20 - 60 А понижена в 1,5 - 4 раза [зб]. . у касторового масла поверхностная вязкость в 4 - 5 раз больше объ-мной. С физической точки зрения П-эффект определяется соотношением абот адгезии и когезии и условиями их взаимного перехода. Если рабо-а адгезии превышает работу когезии, градиент скорости у поверхности удет меньше градиента скорости в объёме. При этом наличие адсорбированного слоя не исключает проскальзывания по нему твёрдой фазы. АВ с углеводородной цепью способны сильно затруднять скольжение уг-;еводородных систем и облегчать скольжение водных. Твёрдая поверхность [ало влияет на П-эффект. Для структурированных ПСМ П-эффект объяс-яется тем, что либо на границе раздела фаз понижается содержание .исперсной фазы, либр дисперсная фаза достигает высокоориентирован-:ого состояния, при котрром скольжение облегчено. Учитывая, что темературный коэффициент изменения вязкости дисперсионной среды в не-колько раз больше, чем пристенных слоев, более вероятным представ-лется второе объяснение. Оно подтверждается также тем, что гомоге-изация /разориентирование/ структуры приводит к уменьшению П-эффекта. | то же время, замена дисперсионной среды на маловязкую приводит к -силению П-эффекта. Таким образом, для структурированных СМ П-эффект буславливается как неньютоновским поведением ПСМ, так и смазочным ;ействием дисперсионной среды на границе раздела фаз. По этим цризна-:ам установлены два вида пристенного скольжения:. а/ граничное - обусловлено внешним трением в граничных слоях; б/ размытое - обусловлено изменением реологических свойств объ-мной структуры переходного слоя.

Поскольку в явлении П-эффекта важную роль играет скольжение раничных слоёв, немаловажным фактором является, поверхностная ёнергия вёрдой фазы /и её изменения путём наклёпа, например/, которая вли-:ет на закономерности формирования и структуру граничных слоёв [б], оэтому для комплексной оценки реологических свойств структурирован-ых СМ и влияния на них различных факторов необходимо учитывать и остояние твёрдой фазы.

1.5. Проблемы изучения реологических свойств смазочных слоёв в тяжёлых условиях трения. Согласно ГОСТ 18283-72, элаетогидродинамическая смазка - это мазка, при которой трение и толщина слоя жидкого СМ, находящегося в тносительном движении, определяется упругими свойствами материалов оверхностей трения и СМ, а также реологическими свойствами послед-его в зоне соприкосновения поверхностей. Именно такой совокупностью ризнаков характеризуются условия работы тяжелонагруженных зубчатых ередач и подшипников качения. Большой вклад в изучение реологических войств тонкого слоя вязкой несжимаемой жидкости, разделяющей соцря-ённые, деформированные в локальном контакте поверхности, внёс М.В.Коровчинский |46, 47|. Путём обобщений основных положений КГТС и результатов Эйхингера, Арчарда, Гейра и Хирста было показано, что распределение давлений в контакте близко к герцевскому, а толщина слоя вдоль контакта изменяется мало. Рассмотрены также основные реологи-зеские модели. На основе этих моделей проанализированы простейшие злучаи течения СМ в зазорах и заложены основы расчёта и проектирования подшипников скольжения. Результаты, полученные в этих работах, 5 физической точки зрения верно отразили поведение СС и влияния на зго реологию основных факторов. В частности, важным является вывод ) влиянии давления на толщину СС в зависимости от соотношения тем-1ературного- и пьезокоэффициента вязкости. Дано также рбъяснение тбывания ПКВ с увеличением температуры, что подтверждено экспериментами. Однако рассмотрение условий чистого скольжения применительно к юдшипникам скольжения не позволило достоверно оценить реологические свойства СМ в области малых проскальзываний. Рассмотрение этой об-састи необходимо потому, что при работе зубчатых передач и подшипни-юв качения в зоне контакта происходит реверсирование скорости отно-¡ительного проскальзывания, при этом в некоторой точке контакта она [ринимает нулевое значение. Кинематической особенностью таких кон-'актов является также то, что проскальзывание происходит в условиях :ерекатывания трущихся тел. Такая совокупность условий в локальном .онтакте, дополненная герцевскими напряжениями 1000-3000 МПа, не подаётся воспроизведений в вискозиметрах в целью исследования течения М при малых скоростях деформирования. Более того, влияние твёрдой азы на реологию тонкого слоя жидкости в вискозиметрических измере-иях не может быть учтено принципиально. Для того, чтобы исследованные еологические свойства СС в наибольшей степени соответствовали реаль-ым условиям нагружения, в настоящей работе непременным условием оставлено воспроизведение основных киенматических и физико-химиче-есих условий работы тяжелонагруженного локального контакта. Наиболее ерспективным путём для достижения перечисленных условий является спользование роликовых машин трения, которые в наибольшей степени осцроизводят условия трения в контакте качения с цроскальзыванием, ля вискозиметрических измерений. Эта идея использована рядом иссле-ователей |бЗ, 60, 83, 88, 95, 102].

Получение РК на роликовых машинах возможно, если последние име-т раздельный привод образцов. Это необходимо для регулирования и зменения обобщённой деформации СС. Некоторые реологические характе-истики /например, эффективную вязкость/ можно определять и на маши-ах с замкнутым силовым контуром. Но эти характеристики не позволят представить общий вид РК, поэтому они не дают возможности оцреде-ить класс, к которому относится исследуемый СС как реологическое ело.

Исследования реологических свойств СС на машинах с регулируемым роскальзыванием образцов имеют свои затруднения. Если предположить, :то величина предельной упругой деформации СС, состоящего из низкомо-екулярных компонентов, составляет несколько процентов £3 ^ и это соответствует действительности /согласно , она достигает 5 - 10$ ля жидкости 5Р4Е, полифенилового эфира/, то при толщинах СС порядка мкм, что характерно для тяжелонагруженных зубчатых передач, резко ¡озрастают требования к точности измерений абсолютных деформаций двига СС. Это особенно важно для начальной стадии деформирования СС, :оскольку, "проскочив", к примеру, участок линейной зависимости дефор-[ации от нагрузки РК Оствальда /рис. 1.1Г/, можно сделать неверный ивод о том, что исследуемое тело является вязко-пластичным, хотя а самом деле оно будет упруговязким.

С целью повышения точности измерения частоты вращения и скорости относительного проскальзывания катящихся образцов применяются такие очные измерительные приборы, как оптические тахометры [э] , электрон-не счётчики , частотомеры [б2], стробоскопы [88], осциллограы ^88*]. Благодаря их применению были достигнуты измерения следующих коростей проскальзывания ]/ск и относительного проскальзывания

Г= 1.3.

V . ' ^ \ /

I мм/с при суммарной скорости качения = 0,4 - I м/с,

§" = 0,1$ [бз];

1,5 мм/с при \4= 8 Ы//с» (Г= И ; = 20 мм/с при '= 20 - 50 м/с, 0,1^ [э];

Учитывая замечание о малых величинах абсолютных упругих декораций сдвига СС, даже такие малые контролируемые скорости относитель-ого проскальзывания образцов представляются большими /соотношения ежду и деформацией СС рассмотрены в п.3.1/. Поэтому реологиче-кие свойства СС в области малых величин относительного проскальзы-,ания катящихся тел требуют дальнейшего изучения.

1.6. Нелинейное поведение смазочных слоев в тяжёлых условиях трения.

Результаты, полученные упомянутыми в предыдущем разделе автора-га, а также результаты работ|4, 13, 14, 18, 31, 29, 30, 45, 54, 60, ¡3, 94, 95, 102, 107, III, 113, 120, 125 и др7] по экспериментально-1у и теоретическому определению характера РК /называемых ещё кривы-ш. сцепления, фрикционными кривыми, кривыми коэффициента трения и \д., но, поскольку они характеризуют изменение обобщённой деформа-щж в зависимости от приложенного обобщённого усилия, то по сути яв-еяются РК/ в контакте качения свидетельствуют о нелинейном, ненью-.юновском поведении СМ в условиях УЦЦ-контакта в широком диапазоне ¡коростей проскальзывания. Рассмотрим причины, которые обуславлива-зт такое поведение СС.

Уже отмечалось,/п.1.4/, что даже для ньютоновских жидкостей от-слонение РК от линейной зависимости вызывает такой существенный механизм, как диссипативный нагрев вследствие трения. Применительно с СС этот вопрос рассмотрен в работах'£з, 19, 26, 30, 44, 52, 60,

53, 88, I07j . При расчёте влияния тепловыделения на трение в У1Щ-сонтакте (4б] по тепловой модели установлено, что РК начинает откло-шться от изотермических кривых уже при малых скоростях деформирова-шя, при этом с увеличением тейпературы влияние тепловыделения умень-¡ается. Так, при температуре 363К отклонение от изотермической кри-юй должно происходить при относительном проскальзывании 0,2%, а при температуре 426К - при проскальзывании 0,5$. Это свидетельствует о шшнии вязкостного нагрева на переход ко второму /нелинейному/ участку РК. Механизм вязкостного нагрева применительно к CG имеет свои юобенности, обусловленные близким соседством твёрдых фаз и их вли-снием на теплопередачу. Уменьшение вязкости при высоких скоростях двига вследствие выделения тепла и повышения температуры в услови-СХ; интенсивного теплоотвода на границе СС с металлическими поверхно-¡тями приводит к локализации плоскости сдвига в тонкой ожиженной [рослойке СС |б4, 12б[ . Показано [l02], что если температура поверх-юстей трения одинакова, то, независимо от температуры СМ, максималь-:ая скорость сдвига приходится на середину толщины СС, так как она яименее подвержена "охлаждающему" влиянию твёрдых фаз. При этом ка-ательные напряжения в срединной плоскости СС уменьшаются [4б]. Не сключается и такой механизм образования плоскости скольжения, когда роисходит разрыв, сходный с хрупким разрушением, внутри квазитвёр-ого тела. Такой механизм характерен для деформации силиконов Jl25j. аким образом, хотя влияние вязкостного нагрева на реологическое по-едение СС и дисперсных систем одинаково, физическая картина деформи-ования может различаться.

Переход линейного участка РК в нелинейный и выравнивание РК при ольших скоростях сдвига СС в контакте можно объяснить также тем, го вначале СМ ведёт себя как ньютоновская жидкость |б7, 9б], затем -как неньютоновская, а при высоких скоростях сдвига - как два пла-гичных слоя, разделённых плоскостью сдвига [95].

Объяснением нелинейной зависимости деформации СС от приложен-:ого напряжения сдвига является также предположение о его упругости : пластичности. С позиции реологии дисперсных систем признание за им таких свойств не является парадоксальным. С позиции физики твёрдо-'о тела, абсолютно жёстких тел в природе не существует, поэтому за-'вердевший в условиях локального контакта СС априори должен иметь обственный модуль упругости, который остаётся только измерить.

В перечисленных работах приведены нелинейные РК, полученные с »азличной степенью точности, которые имеют, как правило, начальный [инейный участок. При этом различные авторы по-разному объясняют на-ичие этого участка, и одна из причин того - различные, иногда несо-юставимые условия, нагружения СС. Более важной причиной различий [вляются различные модели реологического поведения, которые прини-[аются для описания реологических свойств СС. Поведение СС как упру-■ого твёрдого тела в области малых проскальзываний принято в работах !3, 14, 41, 90, 107, 120 и др."] . Отмечено jl3,95j, что с уменыпе-шем температуры характер деформирования СС как твёрдого тела стано-)ится более выраженным. С увеличением деформации начинают проявлять-!Я вязкоупругие эффекты. Модель Максвелла /модель вязкоупругого поведения/, наиболее широко |l8, 31, 44, 45, I25J применяемая для описа-иш неньютоновского поведения СС, недостаточно точно описывает его юологические свойства в широком диапазоне деформаций. Поэтому при-юняются и модели, учитывающие и пластические свойства СС |l02, 113, А, 107^. "Нет сомнения в том, что при трогании ползуна или катка ! места постепенно возрастающей внешней силой сначала имеют месшо гпругие, затем упруго-пластические и, наконец, пластические деформатив опорных выступах трущихся поверхностей или в слоях граничной ¡мазки" [97]. По-видимому, нельзя отрицать справедливость этого пред-юложения применительно к затвердевшему СС. При сопоставлении РК диск [ерсной системы и скоростной характеристики силы внешнего трения броается в глаза близкая аналогия мёжду ними.

Хорошее соответствие качественных результатов по ответной ре-кции на те или иные воздействия структурированных дисперсных систем , во многих случаях, СС в условиях контактной гидродинамики, позво-яет оценивать направление и последовательность реологических изме-вний, протекающих в условиях локального контакта /в микрообъёме СМ/, ттём воспроизведения условий деформирования в макропистемах. С этой эчки зрения рассмотренные выше /п, 1.4/ реологические свойства дис-зрсных систем являются важным звеном в изучении реологических свойств Справедливость этого вывода подтверждается также тем, что добавки элнмеров оказывают сходное влияние на реологию СС и дисперсных систем, ри этом происходит уменьшение толщины СС и уменьшение трения jj5, 118 др.] вследствие подавления турбулизации, изменение несущей способно тй7*и улучшение демпфирующих свойств вследствие вязкоупругого пове-Зшя СС [ш и , деструкция полимерных молекул [го, ш].

Кроме рассмотренного влияния твёрдых фаз на теплообмен и структу-эобразование в тонких СС необходимо отметить, что микровыступы /шеро-эватость/ поверхностей трения также влияют на реологические свойства 3, что объясняется следрощими причинами: турбулизацией течения СС 1з]; взаимодействием вращающихся, соизмеримых с величиной зазора, по-шерных молекул с микронеровностями |?3 и др"] ; что приводит к уверению граничной вязкости вследствие эффекта микрополярности; изме-знием площади контактирования и ведущих процессов формирования СС а также взаимодействием выступов микронеровностей [з1, 45, Ilfj их влиянием на доставку СМ в зону трения [б7, 74].

Очевидно, что в сравнении с дисперсными системами в макрообъёме шяние поверхностного поля твёрдых фаз на реологические свойства СС тдет более существенным в связи с масштабным фактором. Поэтому на юцессы структуризации СС опосредованно будет влиять также термообра->тка, структура и составные части поверхностей трения, от которых зависит их поверхностная энергия.

Б работах 31, 100, 112, 114, Пб] нелинейное поведение СС >бъясняется зависимостью запаздывания вязкости от числа Деборы Д 'это число равно отношению времени релаксации ко времени действия тгрузки на СС/. Равновесная вязкость, за время приложения, равное [50 мкс., может превышать кратковременную /эффективную/ вязкость на ь порядка jiooj. Но если fl^I, то независимо от времени нагружения >ффективная вязкость достигает равновесной £7]. Число Деборы, в свою >чередь, изменяется в зависимости от давления, т.к. с увеличением давления время затвердевания и релаксации СС уменьшается. При уве-шчении давления от 500 МПа до 2000 - 4000 МПа время затвердевания уменьшается с 40 мс до 5,2 - 2,5 мс [lI4]. Качественно это подтвер-¡дается более резким уменьшением ПКВ с увеличением скорости качения 'уменьшением времени нагружения/ в области малых нагрузок ¡П2| • Больше времена релаксации в таких условиях усиливают нелинейность рео-[огических свойств вследствие заметного изменения кратковременной

1язк0сти.

Сложная взаимосвязь описанных процессов, влияющих на реологиче-;кие свойства СС, не позволяет /по крайней мере на данном этапе, по-:а физическая картина деформирования СС недостаточно ясна/ выделить ¡реди них один или несколько ведущих с целью математического описа-шя. На камине у Эйнштейна были написаны слова: "Господь бог изощрён, ю не злонамерен". "Экзотические ситуации, которые математик должен [редусмотреть, создавая строгое доказательства, редко встречаются ! реальном мире - бесконечности и разрывы есть результат сознательно деализированной, либо упрощённой, либо просто неудачной формулиров-:и"х. Не все естественные науки нуждаются в математике в такой степени, как, к примеру, физика. Иногда основное - это процессы, не ¡сегда сводящиеся к числовым характеристикам. Легко может быть мате-[атизирована только та еторона явлений, которая определяется хорошо Мигдал А. 0 красоте науки. - наука и жизнь, 1983, №3, с.59-65. зученннми физико-химическими явлениями. Хорошо разработанный ма-ематический аппарат для обработки результатов экспериментов позво-яет практически с любой степенью точности найти аналитическую зависи-ость для экспериментальных кривых, в то же время нисколько не при-лижая к пониманию физической сущности явлений. Нецелесообразно ис-олъзовать сложные математические зависимости для достижения количест-енного соответствия мевду теорией и экспериментом. Задача реологов-определять условия, при которых происходят изменения реологических очки зрения, но уже применительно к трибонике в целом, придерживаорректной физической модели математическое описание формализует цро-есс и приводит к утере тех качественных явлений, которые его сопро-ожцают. Поэтому в настоящей работе оценка реологических свойств СС их изменений проводилась по характерным точкам РК, а для получе-ия количественных соотношений использовались элементарные математи-еские зависимости. При этом большое внимание уделялось качественно-у анализу изменений, происходящих в СС. Реологические методы исследований смазочных слоёв перспективны с точки зрения выявления в них структурных и фазовых превращений. Реологические кривые смазочного слоя в условиях ЮТ-контакта в области малых проскальзываний изучены недостаточно. Мало изучен механизм деформирования смазочного слоя в широком диапазоне градиентов скорости сдвига.

I. Недостаточно изучены фазовые превращения смазочного слоя при его деформировании и влияние на них поверхностей трения. войств, а также определять

Такой же

Причина та же: при отсутствии вывода

- 35

Заключение диссертации по теме «Трение и износ в машинах», Головач, Пётр Афанасьевич

2. Результаты работы использованы при разработке и испытании таких композиционных смазочных материалов, как водосодержащие жидкости для гидросистем и полужидкие смазки. Ожидаемый экономический эффект от использования водосодержащих гидрожидкостей - около 80 тыс. руб. Экономический эффект от внедрения результатов исследования полужидких смазок составил 113,4 тыс. руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Головач, Пётр Афанасьевич, 1984 год

1. Бершадский Л.И., Заманский Л.С. Химмотология смазки в передаче зацеплением. Проблемы трения и изнашивания, 1980, Ш8, с.89-94.С. Бибик Е.Е. Реология дисперсных систем. Л.: ЛГУ, 1981. - 172с.

2. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твёрдых тел. М.: Машиностроение, 1978. - 542с.В. Бэир, Винер. Измерения прочности смазочной жидкости на сдвиг при высоком давлении. Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер.р: Проблемы трения и смазки, 1979, №3, с.7-14.

3. Бэир, Винер. Реологическая модель для УГД-контакта, основанная на первичных лабораторн-ых данных. Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер.F : Проблемы трения и смазки, 1979, №3, с.15-24.

4. Виноградова И.Э. Противоизносные присадки к маслам. М.: Химия, 1972. - 272с.

5. Влияние молекулярного веса и строения молекул на вязкость и устойчивость тонкого слоя жидкости. Захаваена H.H., Дерягин Б.В. и др. В кн.: Исследования в области поверхностных сил: Сб. на-' учн. тр. -М.: Наука, 1964, с.173-176.

6. Галахов М.А., Широбоков В.В. Трение в контакте цилиндров с вяз-коупругой смазкой. Механика полимеров, 1976, №5, с.922-926.

7. Галахов М.А. Трение в смазанном контакте. В кн.: Реология полимерных и дисперсных систем и реофизика: Материалы 8-го Всес. симпозиума по реологии. - Минск, 1974, ч.2, с.221-223.

8. Галахов М.А., Терентьев Е.Д., Патраков А.Г. У1Д-контакт и толщина плёнки при недостаточной смазке. Машиноведение, 1977, М, C.II6-I2I.

9. Грубин А.Н. Основы гидродинамической, теории смазки, тяжело нагруженных цилиндрических поверхностей. В кн.: Исследование контакта деталей машин. Сб. науч. трудов. - М.: Машгиз, 1949, с.126--185.

10. Дерягин Б.В., Зорин З.М. Исследование поверхностной конденсации и адсорбции паров вблизи насыщения оптическим микрополяризационным методом. Журнал физической химии, 1955, т.29, с.ЮЮ--1019, 1755-1770.

11. Джост П., Шофилд Дж. Экономия энергии с помощью трибологии: технико-экономическое исследование. Трение и износ, 1982, т.З, JI2 .с.19-23.

12. Дроздов Ю.Н. Коэффициент трения скольжения при очень высокихЮ. Дроздов Ю.Н. Коэффициент трения скольжения при очень высоких контактных давлениях. Машиноведение, 1966, №5, с.74-80.

13. Дроздов Ю.Н., Ромашкин О.Г., Смирнов В.И., Широбоков В.В. Определение коэффициента трения катящихся со скольжением смазанных тел. Надёжность и контроль качества, 1980, МО, с.22-30.

14. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. М.: Наука, 1980. - 228с.

15. Заманский Л.С., Остраков A.A. Новые методы испытания смазочных материалов для редукторов. Киев: общество "Знание" УССР, 1980. - 28с.

16. Запорожец В.В., Варюхно В.В. Взаимосвязь силы трения и свойств вторичных структур. Трение и износ, 1983, т.4, Ж, с.59-73.

17. Запорожец В.В. Динамические характеристики прочности поверхностных слоев и: их,.оценка. Трение и износ, 1980, т.1, №4, с.602-609.

18. Изменение структуры ПАВ в процессе трения. Дерягин Б.В., Луж-нов Ю.М. и др. Журнал физической химии, 1980, т.54, $6, с. 15541555.

19. Кадомский В.П., Райко М.В., Белоус B.C. Измерение толщины отдельных составляющих смазочного слоя. В кн.: Теория трения, износа и смазки. Тез. докл. Всес. конф. - Ташкент, 1976, с.98-100.

20. Кадомский В.П., Райко М.В., Павлов В.Н., Белоус B.C. Исследование механизма смазочного действия масел при качении со скольжением. В кн.: КГТС и её практическое применение в жехнике. Материалы докл. на 2-й Всес. конф. - Куйбышев, 1977, вып.1, с.113--117.

21. Кадомский В.П. Исследование смазочных слоёв и твердосмазочных плёнок, образовавшихся в контакте деталей при качении со скольжением. Дис. . канд. техн. наук. - Киев: 1971. - 140с.

22. Кинг, Лауэр. Обнаружение поперечного градиента температуры и выравнивания молекул в УГД-плёнке при помощи инфракрасной спектроскопии. Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер. р : Проблемы трения и смазки, 1981, Ж, с.65-73.

23. Коднир Д.С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин. М.: Машиностроение, 1976. - 304с.

24. Коднир Д.С., Салуквадзе Р.Г., Бакашвили ДЛ., Шварцман В.Ш. Решения контактно-гидродинамических задач для неньютоновских жидкостей. -„Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер. р : Проблемы трения и смазки, 1975, т.97, №2, с.176-182.

25. Конри. Влияние тепловыделения на трение в УГД-контакте. Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер. р : Проблемы трения и смазки, 1981, М, с,64-70.

26. Коровчинский М.В. О.некоторых вопросах эластореологии, имеющих приложение в теории трения. В кн.: Трение и износ в машинах. Сб. научн. тр., 1964, вып. 18, с.68-166.

27. Коровчинский М.В. Теоретические основы работы подшипников скольжения. -М.: Машгиз, 1959. 403с.

28. Костецький Б.1., Запорожець В.В. Досл1дження законом1рностей зовнЬпнього тертя за допомогою повЬльних перемЬцень. Допов1д1 АН УРСР, 1964, Ж2, с. 1582-1583.

29. Крагельскии И.В., Гитис Н.В. Оценка склонности к плёночному голоданию пластичных смазочных материалов. Трение и износ, 1983, т.4, Ж, с. 12-17.

30. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968.- 480с.

31. Крагелвский И.В. Триботехника: достижения, проблемы, перспективы. В кн.: Теория трения, износа, смазки. Материалы Всес. конф.- Ташкент, 1976, с.З-П.

32. Крук A.B. Исследование трения и температуры при вращении контак-тирующихся роликов. Экспресс-информация: Детали машин, 1962, ЖЕ7, реф. ПО.

33. Крук A.B. Исследования трения и эффективной вязкости масла при вращении контактирующихся роликов. Экспресс-информация: Детали машин, 1963, ЖЕ9, реф. 117.

34. Кузьмин Н.Ф. 0 коэффициенте трения в тяжелонагруженном контакте.- Вестник машиностроения, 1954, №5, с.18-26.

35. Лазаренко Ю.А. Испытания некоторых типов самосмазывающихся подшипников в режиме работы демпфера при возвратно-поступательном движении с малыми амплитудами. Трение и износ, 1983, т.4, J©, с.514-521.

36. Максимов В.Н. Многофакторный эксперимент в биологии. М.: МГУ,1980. 280с.

37. Механо-химические процессы при граничном трении. Костецкий Б.И., Натансон М.Э., Бершадский Л.И. -М.: Наука, 1972. 170с.

38. Мишарин Ю.А., Сухоруков A.B. Международная конференция по. зубчатым передачам /Лондон, 1958/. М.: Машгиз, 1962. - 219с.

39. Мур Д. Основы и применения трибоники. М.: Мир, 1978. - 487с.

40. Орлов A.B., Черменский О.Н., Нестеров В.М. Испытания конструкционных материалов на контактную усталость. М.: Машиностроение, 1980. - 110с.

41. Основы эллипсометрии. Под ред. Ржанова A.B. Новосибирск: Наука, 1979. - 424с.

42. Павлов В.П., Виноградов Г.В. Обобщённая реологическая характеристика пластичных дисперсных систем. Коллоидный журнал, 1966, т.28, вып.З, с.424-430.

43. Петрусевич А.И. Основные выводы из контактно-гидродинамической теории смазки. Изв. АН СССР, отд. техн. наук, 1951, Ш, с.209--223.

44. Пикус Ю.М. Влияние реологических и теплофизических свойств смазочных материалов на характеристики гидростатического смазочного слоя. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Калинин, 1981, -25с.

45. Пинчук В.Г., Пинчук Р.Г., Харитонов В.В., Мишкин Е.М. О взаимосвязи изменения структуры поверхностных слоёв твёрдых тел и смазочной среды цри трении. Трение и износ, 1982, т.З, К?,с.335-338.

46. Пластичные смазки. Сб. науч. трудов. -М.: ЩИИТЭНЕФТЕХИМ, 1982. 150с.

47. Побожий Ю. Давление плюс сдвиг. Наука и жизнь, 1982, .№8, с. 17-23.

48. Полянский В.К., Рвачёв В.П. К воцросу об отражении света шероховатыми поверхностями. Оптика и спектроскопия, 1966, т.20, вып.4, с.701-708.

49. Пракаш, Тёндер, Кристенсен. Взаимодействие между эффектами микрополярности и шероховатости при гидродинамической смазке. -Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер. р : Проблемы трения и смазки. 1980, Ш, с.113-119.

50. Приходько В.М. Исследование подшипников скольжения с вязкой и вязко-пластичной смазкой в зависимости от макрогеометрии контактирующих поверхностей: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1980. - 20с.

51. Райко М.В. Влияние шероховатости поверхностей на толщину смазочного слоя в контакте деталей машин. В кн.: Прикладная механика /сб. науч. трудов/. - Киев, 1970, вып.З, с.80-84.

52. Райко М.В. Исследование смазочного действия нефтяных масел в условиях работы зубчатых передач. Дис. . д-ра техн. наук. -Киев, 1974. - 369с.

53. Райко М.В., Запорожец В.В., Головач П.А., Варюхно В.В., Бавин И.И. Реологические характеристики зоны контакта и структура поверхностей трения. Трение и износ, 1983, т.4, №6, с.1008-1015.

54. Райко М.В. Смазка зубчатых передач. Киев: Техн1ка, 1970. -196с.

55. Рещиков В.Ф. Трение и износ тяжелонагруженных передач. М.: Машиностроение, 1975. - 232с.

56. Розенберг Ю.А. Влияние смазочных масел на долговечность и надёжность деталей машин. М.: Химия, 1970. - 300с.

57. Синицын В.В., Тауэр A.B., Викторова Ю.С. Влияние состава пластичных смазок на толщину У1Д-плёнки в прецизионных подшипниках качения. Трение и износ, 1982, т.З, №2, с.342-346.

58. Подбор и применение пластичных смащок. М.: Химия, 1974.- 416с.

59. Смит. Некоторые аспекты нелинейного поведения в смазках цри сверхвысоком давлении. Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер. Г •роблемы трения и смазки, 1968, Ш, с.30-36.

60. Смит. Смазка при контакте качения. Приложение У1Д-теории. Тр.амер. общ. инж.-механиков. Сер. Д: Теоретические основы инженерных расчётов, 1965, Ж, с.206-214.

61. Теваарверк, Джонсон. Влияние реологии жидкости на характеристики фрикционных передач. Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер. Г : Проблемы трения и смазки, 1979, J®3, с.7-14.

62. Толстой Д.М. Некоторые соображения о закономерностях трения 1-города. В кн.: Исследования в области поверхностных сил /сб. науч. трудов/. -М.: Изд. АН СССР, 1961, с.ПЗ-125.

63. Толстой Д.М. Скольжение жидкостей и дисперсных систем по твёрдым поверхностям. Сб. статей, посвящ. памяти акад. П.П.Лазарева.М.: Изд. АН СССР, 1956, с.159-222.

64. Трение, изнашивание, смазка. Справочник под ред. Крагельского И.В. Алисина В.В., М.: Машиностроение, 1978, кн.1. - 400с.

65. Трэчмен. Кратковременные вязкостные свойства смазки в зонеГерцевского давления.- Тр. амер. общ. инж.-механиков, Сер. Р : Проблемы трения и смазки, 1975, <№3, с.160-167.Ш. УилкинсонД.Л. Неньютоновские жидкости. М.: Мир, 1964. - 215с.

66. Упер, Фламан, Берт. Реологические и теплофизические эффекты в смазываемых УГД-контактах. Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер. F Проблемы трения и смазки, 1981, М, с.57-64.

67. Фукс Г.И. Адсарбцияж смазочная', способность масел. Трение и износ, 1983, т.4, ЖЗ, с.398-414.

68. Фукс Г.И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов. М.: Гос-топтехиздат, 1951. - 270 с.

69. Хейс, Монтроуз. Нелинейные напряжения сдвига и тепловые эффекты в полностью смачиваемых УГД-контактах. Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер. F *• Проблемы трения и смазки, 1980, №4, с.50-56.

70. Чихос X. Системный анализ в трибонике. М.: Мир, 1982. - 351с.

71. Шульман З.П. Беседы о реофизике. Минск: Наука и техника,1976. 94с.JO. Энгельс Ф. Анти-Дюринг. К.Маркс, Ф.Энгельс. Соч., т.20, с.16-342.

72. I. Якобсен, Винер. Трение при У1Д-контакте в условиях течения смазки с поперечным градиентом скорости и температуры. Тр. амер. общ. инж.-механиков. Сер. р : Проблемы трения и смазки, 1975, №3, с.92-98.

73. Янчак К., Хофман С. Пьезокоэффициент вязкости масла в динамических условиях. Трение и износ, 1982, т.З, Ж, с.83-93.Ж X ЭЕ

74. BairS., Winer W.O. Apheological model for elastohydrodyna-mic contacts based on primary laboratori data. Trans. ASME, I. Lubric. Technol, 1979, Ю1, S3, p. 238-264.

75. Booser E.B. Grease life forecast for ball bearings. -Lubric. Eng., 1974, 30, N1, p.536-5^0.115* Briant I. Comportement rheologique <les lubricants abecadditiv de vi. -Publ. Ins. franc, petrole. Collect, colloq. et semin, 1979, N 33, p.31-53.

76. Gentle C.R., Paul G.R. A critical survey of high pressure lubricant models. -4?rans. ASME, .1976, F 93, N2, p.258-265.

77. Dancy Julian н , Marchall Hubert Т., Oliver Charles R.A test to relate the loss of hydrodynamic lubrication in an . automative journal bearing to lubricant wiscosity. SAE Techn. Pap. Ser., 1981, N810798. -9 p.

78. Kussi Eduard. Die Bedeutung der Viscositats Druck-abhangigheit in der klassischen elastohydrodynamisehen Theorie der Schmierung. - Mineraloeltechnik, 1975, 18» N7, s.8.

79. Kirschke K. Mineral oils with polymer additives: contributions to viscometry at high rates of shear, I •'. '.; behaviour in plain bearings and normal stress effect in lubrication. Colloq.inst. CURS, 1975, N225, p.157-144.

80. Palacios 1.1.1., Cameron A., Arismendi L. Film thickness of crease in rolling contacts. ASLE Trans., 1981, 24,N4, p.474-477.

81. Sanborn D.M., Winer W.O. Lubricant properties in thin lubricating films. Peprs. Div.Petrol Chem. Amer. Chem. SoC., 1976, 21, №1, p.57-67.

82. Smith F.W. Lubricant Behavior in concentrated contact System the castor oil - steel .System. - Wear, 1958» vol 2, p.250-268.

83. Wlodzimier L.I., Henric KrF. The properties of elastohy-drodynamic crease films. -Wear, 1982, 77, N5, p.277-285.