Структурно-енергетична модель перетворення енергії в умовах аномально низького тертя та зношування

Abstract

В роботі наведено відомий ефективний спосіб зниження тертя та зношування в різних трибосистемах у результаты трибомодифікування поверхневого шару. Метою такого трибомодифікування являється створення найбільш сприятливих (сумісних по Гаркунову) умов мікроконтактної квазіупружної взаємодії, що виникає на рівні мікрорельєфу. Розгляд квазіупружної взаємодії з позиції нерівноважної термодинаміки дозволив багатьом авторам висунути гіпотезу, що квазіупружна взаємодія може бути антидисипативним фактором, який призводить до виродження накопиченої внутрішньої енергії з трибосистеми. Серед цих факторів основний вклад приходиться на кінетичну (хвильову) складову сили тертя, що формується при різниці швидкостей гальмування при молекулярно-механічній взаємодії і проковзуванні при їх розгоні.Представлені реологічні та структурні умови перетворення зовнішньо підведеної енергії за результатами контактної взаємодії шорсткості поверхневого слою трибосистеми, де один з елементів представлений як квазітверде тіло, а у другому поверхневий шар квазіупружний, представлений за реологічною моделлю Шведова. Метою даної роботи було розроблення структурно-енергетичної моделі перетворення енергії в умовах аномально низького тертя та зношування, яка дає можливість розробки рекомендацій по структурній модифікації поверхневого шару реальних трибосистем з метою підвищення їх ресурсних показників та коефіцієнту корисної дії. Проведені дослідження показали, що основною причиною переходу трибосистем до аномального тертя та зношування є реологічні властивості поверхневого шару. Аналіз контактної взаємодії шорсткостей за моделлю твердого тіла у вигляді міжатомних зв’язків дало можливість оцінити пружню енергію, яка виділяється при руйнуванні зв’язків у результаті проковзування мікрошорсткостей. Вона складає чверть від величини енергії, яка витрачена на подолання сил тертя. Оцінка взаємодії, як марківського процесу з двома двосторонніми станами (розпад і відновлення), дозволила отримати математичну залежність узагальненої складової імпульсу сили на плямі контакту від енергії контакту в стані зчеплення і параметру розподілення плям контакту за модулем канонічного розподілу енергії по лінії (поверхні) контакту. Головною умовою при переході до аномально низького тертя та зношування є формування на поверхні тертя певного градієнта фізико-механічних властивостей, які описані реологічною моделлю Шведова. Оптимізацією реологічної побудови поверхневого шару реальних трибосистем вдалося досягти умов, коли дисипативний об’єм в умовах контактної взаємодії здатний зворотно трансформувати (розсіювати) енергію зовнішнього руху. Практично вдалося реалізувати «ідеальні» умови дисипації зовнішньої енергії, що підводиться по хвильовому каналу і уникнути процесу зношування в трибосистемі та позбавитися від зовнішнього тертя. Дану технологію можна віднести до розряду ресурсозберігаючих з високим ступенем енергоефективності. Наявність при зовнішньому терті хвильової складової показує значну різницю між молекулярною і механічною складовими сили тертя

Представлены реологические и структурные условия преобразования внешне подведенной энергии по результатам контактного взаимодействия шероховатостей поверхностного слоя трибосистемы, где один из элементов представлен как квазитверде тело, а во втором квазиупругий поверхностный слой представлен по реологические модели Шведова. Целью данной работы была разработка структурно-энергетической модели преобразования энергии в условиях аномально низкого трения и износа, которая дает возможность разработать рекомендаций по структурной модификации поверхностного слоя реальных трибосистем для повышения их ресурсных показателей и коэффициента полезного действия. Проведенные исследования показали, что основной причиной перехода трибосистем к аномальному трению и изнашиванию является реологические свойства поверхностного слоя. Анализ контактного взаимодействия шероховатостей по модели твердого тела в виде межатомных связей позволил оценить энергию упругого взаимодействия, которая выделяется при разрушении связей в результате проскальзывания микрошероховатостей. Она составляет четверть от величины энергии, затраченная на преодоление сил трения. Оценка взаимодействия, как марковского процесса с двумя двусторонними состояниями (распад и восстановление), позволила получить математическую зависимость обобщенной составляющей импульса силы на пятне контакта от энергии контакта в состоянии сцепления и параметра распределения пятен контакта по модулю канонического распределения энергии по линии (поверхности) контакта. Главным условием при переходе к аномально низкому трению и изнашиванию, является формирование на поверхности трения определенного градиента физико-механических свойств, которые описаны реологическою моделью Шведова. Оптимизацией реологического построения поверхностного слоя реальных трибосистем удалось достичь условий, когда диссипативний объем в условиях контактного взаимодействия способен обратно трансформировать (рассеивать) энергию внешнего движения. Практически удалось реализовать «идеальные» условия диссипации внешней энергии, подводимой по волновому каналу и избежать процесса изнашивания в трибосистеме и избавиться от внешнего трения. Данную технологию можно отнести к разряду ресурсосберегающих с высокой степенью энергоэффективности. Наличие при внешнем трении волновой составляющей показывает значительную разницу между молекулярной и механической составляющими силы трения.

The effective method of reducing friction and wear in various tribosystems is now known as the results of the tri-modification of the surface layer. The purpose of such tribodomodification is the creation of the most favorable conditions of microcontact quasielastic interaction that occurs at the level of microrelief. Consideration of quasi-elastic interaction from the position of nonequilibrium thermodynamics has allowed many authors to put forward the hypothesis that quasi-elastic interaction can be an anti-dissipative factor, which leads to the degeneration of accumulated internal energy from the tribosystem. Among these factors, the main contribution comes from the kinetic (wave) component of the frictional force, which is formed with a difference in braking rates with molecular-mechanical interaction and slipping when accelerating them. The article presents the rheological and structural conditions of the transformation of the external energy as a result of the contact interaction of the roughness of the surface layer of the tribosystem, one of which is presented as a quasi-solid body in the second surface layer of a quasi-elastic representation of the Schwedov rheological model. The purpose of this work was to develop a structural energy model for energy conversion under conditions of abnormally low friction and wear, which makes it possible to develop recommendations for the structural modification of the surface layer of real tribosystems in order to increase their resource indicators and efficiency. The conducted studies have shown that the main reason for the transition of tribosystems to abnormal friction and wear is the rheological properties of the surface layer. The analysis of the contact interaction of roughness on the model of a solid body in the form of interatomic bonds gave an opportunity to estimate the elasticity of the energy that is released when the bonds break down as a result of the slipping of the microhardness. It makes up one quarter of the amount of energy that is spent on overcoming frictional forces. The evaluation of the interaction as a Markov process with two bilateral states (decay and recovery) allowed us to obtain the mathematical dependence of the generalized component of the impulse of force on the contact point from the contact energy in the coupling state and the parameter of the distribution of contact spots by the modulus of the canonical energy distribution along the contact line (surface). The main condition for the transition of abnormally low friction and wear is the formation on the friction surface of a certain gradient of physical and mechanical properties, which are described by the Shvedov rheological model. By optimizing the rheological construction of the surface layer of real tribosystems, it was possible to achieve conditions when the dissipative volume in the contact interaction is capable of transforming (scattering) the energy of the external motion inversely. Practically managed to realize the "ideal" conditions of dissipation of external energy supplied by the wave channel and avoid the process of wear in the tribosystem and get rid of external friction. This technology can be attributed to the category of resource-saving with a high degree of energy efficiency. The presence of external gravity of the wave component shows a significant difference between the molecular and mechanical components of the friction force.