К.ф.-м.н. Заспа Ю.П., д.т.н. Костогрыз С.Г.

Хмельницкий национальный университет, Украина

Параметрические авторезонансы в условиях

контактного фреттинга

Параметрические авторезонансы, т.е. резонансы, не связанные напрямую с периодическим внешним воздействием, а обусловленные внутренней пространственно-временной автомодуляцией параметров, характеризующих собственные колебания динамической системы, или среды, применительно к контактному фреттингу изучены недостаточно. Реверсивность трения в данном случае не имеет определяющего значения в механизмах возникновения таких резонансных явлений, поскольку частотный диапазон фреттинг-вибраций, обусловленных промышленным фоном и движущимися элементами машин и механизмов (~ 10^-1-10⁺² Гц), как правило, значительно ниже средне- и высокочастотных составляющих спектра собственных частот фрикционных узлов и конструкций (~ 10³-10⁵ Гц), ответственных за возникновение параметрических авторезонансов. Между тем, последние могут глубоко модулировать силу трения в номинально-неподвижных стыках, осугубляя фреттинг-коррозию и радикально уменьшая динамический коэффициент трения, что крайне опасно для целостности фрикционных соединений. В данной работе рассмотрены условия и механизмы возникновения параметрических резонансов в условиях фреттинга.

Рассматриваемые явления имеют автоволновую природу, т.е. обусловлены генерацией в динамически- и термодинамически неравновесной области фрикционного контакта волн напряжений, распространяющихся вглубь контртел трения и далее − к границам динамической системы (узла, механизма, машины). После частичного отражения от границ эти волны возвращаются в область контакта, где прямо влияют на процесс генерации возмущений на последующих временных этапах. В результате многократного резонансного усиления возмущений, как правило, этот процесс выходит на насыщение с установлением псевдостационарного уровня динамического трения, определяемого ограниченной мощностью энергетической накачки и неизбежным акустическими и диссипативными потерями, растущими с уровнем запасенной в системе энергии колебаний. Опасность для целостности номинально-неподвижных фрикционных соединений представляют как раз низкие значения такого динамического трения в условиях автоволнового параметрического резонанса [1]:

(1).

Здесь − резонансная скорость относительного движения контртел трения, − характерный масштаб формирования силы трения во фрикционном контакте, − определенная собственная частота трибосистемы. В условиях фреттинга в качестве масштаба , прежде всего, выступает предельное предварительное контактное смещение . Оно является элементом внутреннего синтеза когерентных движений в динамической системе [1] и может заметно отличаться от соответствующего квазистатического значения [2]. В приближении гармонического во времени изменения относительного контактного смещения в режимах фреттинга с амплитудой А и частотой в выражении (1) будет фигурировать средний по времени модуль скорости смещения , так, что

(2),

Или же

(3).

Здесь − резонансная амплитуда относительного контактного смещения, соответствующая k-й собственной частоте трибосистемы. Поскольку, как отмечалось в начале, в обычных условиях ~ 10^-1 – 10⁵, то согласно (3) параметрические резонансы будут существенно проявляться при ~ 1 – 10⁴, т.е. в условиях средне- и высокоамплитудного фреттинга. Здесь эффективный коэффициент трения может резко уменьшаться за счет одного лишь увеличения амплитуды относительных контактных смещений.

В качестве конкретного экспериментального примера рассмотрим данные работы [3]. На рис. 1 приведены осциллограммы контактных смещений и сил трения в режимах высокоамплитудного фреттинга, заимствованные из этой работы. Амплитуда смещения активного плоского образца в контакте шар-плоскость (сталь-сталь)

Рис.1 Временные зависимости тангенциального усилия и смещения активного контробразца при частотах фреттинга: 0,1 Гц (а), 1 Гц (с), 4 Гц (е) (Ghen G.X., Zhou Z.R. [3]).

здесь составляла 3 мм, нормальная нагрузка – 200 Н, диаметр шара – 40 мм. Случай рис. 1а на частоте возбуждения Гц соответствует выраженному параметрическому резонансу с практически нулевой средней силой трения и высокочастотными ее осцилляциями на протяжении большей части цикла – за исключением узких временных интервалов вблизи нулевых точек смещений. По мере увеличения частоты фреттинга до 1-4 Гц (рис. 1с, е) и, соответственно, отхода от резонансных условий (2)-(3), наблюдается увеличение силы контактного трения. Анализ более детальных временных осциллограмм силы трения, полученных в работе [3], обнаруживает резонансные частоты Гц и Гц. Для частоты при ~ 0,1 Гц, ~ 3 мм из (3) получаем оценку ~ 0,5 мкм, типичную для таких соединений [2]. Первая собственная частота , активно проявляющаяся в спектре силы трения с увеличением номинальной частоты фреттинга (рис 1 с, е), связана с другим характерным масштабом формирования силы трения – диаметром пятна фактического контакта шар-плоскость. Авторы работы [3] отмечают лишь независимость наблюдаемых автомодуляционных явлений при фреттинге от скоростной характеристики силы трения – вне связи с резонансными условиями (1) – (3). Однако, именно такая связь является ключевой для понимания физики процесса.

Аналогичные примеры возбуждения параметрических авторезонансов в режимах высокоамплитудного фреттинга наблюдались также в экспериментальных условиях работ [4-5].

Таким образом, повышение амплитуды контактного фреттинга до и более стимулирует возникновение параметрических авторезонансных явлений в трибологической системе, что увеличивает эффективное число циклов фреттинга на порядки – в сравнении с расчетом по низкой номинальной частоте колебаний. Последнее, в свою очередь, резко интенсифицирует фретинг-корозию и ведет к преждевременному износу трибосопряжения. Для обеспечения целостности и работоспособности номинально-неподвижных фрикционных соединений в условиях вибрации необходимо соблюдать режим низкоамплитудного фреттинга .

Литература:

1. Заспа Ю.П. Когерентная трибодинамика //Трение и износ. − 2012 (33), №6, 656-674

2. Максак В.И. Предварительное смещение и жесткость механического контакта . − М.: Наука. −1975

3. Chen G.X., Zhou Z.R. Correlation of a negative friction-velocity slope with squeal generation under reciprocating sliding conditions // Wear. − 2003 (255), 376-384

4. Jibiki T., Shima M., Akita H., Tamura M. A basic study of friction noise caused by fretting // Wear. − 2001 (251), 1492-1503

5. Briscoe B.J., Chateauminois A., Chiu J., Vickery S. Acoustic noise emission in a model PMMA / stell fretting contact // Tribology Series, 39 / Ed. D. Dowson. − Amsterdam: Elsevier. − 2001, 673-681