priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2025-68-11-968-976pribor-430Research ArticleКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯCOMPUTER MODELING AND DESIGN AUTOMATIONПостроение термомеханической модели изнашивания пары трения „сталь–полимер“ с учетом деструкции материалаConstructing a thermomechanical wear model of a steel–polymer friction pair with the account for the material destructionЖаровВ. Е.ZharovV. E.

Виталий Евгеньевич Жаров — cоискатель; инженер-конструктор 1-й категории

Санкт-Петербург 

Vitaly E. Zharov — Applicant; Design Engineer of the 1st Category

St. Petersburg 

Vitala9572@gmail.comCедаковаЕ. Б.SedakovaE. B.

Елена Борисовна Седакова — д-р техн. наук, доцент; лаборатория трения и износа; руководитель лаборатории, ведущий научный сотрудник

Санкт-Петербург 

Elena B. Sedakova — Dr. Sci., Associate Professor; Friction and Wear Laboratory; Head of the Laboratory; Leading Researcher

St. Petersburg 

elenasedakova2006@yandex.ruИшимовД. Е.IshimovD. E.

Даниил Евгеньевич Ишимов — аспирант; Международный научно-образовательный центр „BaltTriboPolytechnic“, Институт машиностроения и транспорта

Санкт-Петербург 

Daniil E. Ishimov — Post-Graduate Student; International Scientific and Educational Center (ISEC) „BaltTribo-Polytechnic“, Institute of Mechanical Engineering and Transport

St. Petersburg 

daniil_ishimov@mail.ruНаумовА. Н.NaumovA. N.

Алексей Николаевич Наумов — аспирант; Международный научно-образовательный центр „BaltTribo-Polytechnic“, Институт машиностроения и транспорт

Санакт-Петербург 

Alexey N. Naumov — Post-Graduate Student; International Scientific and Educational Center (ISEC) „BaltTribo-Polytechnic“, Institute of Mechanical Engineering and Transport

St. Petersburg 

nan.work@yandex.ruЦентральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетикиRussian State Scientific Center for Robotics and Technical Cybernetics (RTC)Институт проблем машиноведения Российской академии наукInstitute for Problems in Mechanical Engineering of the RASСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоPeter the Great St. Petersburg Polytechnic University2025151220256811968976Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20252025Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/430

Предложена математическая модель изнашивания пары трения „сталь–полимер“ без смазки. Модель основана на уравнениях теплового баланса и кинетики износа, учитывающих диссипацию энергии при трении и теплообмен с окружающей средой. В отличие от традиционных подходов, предложенная модель включает в себя критические точки, соответствующие температурным переходам в полимере, что позволяет прогнозировать их положение на экспериментальных зависимостях с высокой точностью. Особое внимание уделено деструкции свойств полимера под воздействием температуры и механических нагрузок, существенно влияющей на трибологические характеристики пары трения. Модель реализована в САПР MatLab с использованием метода конечных элементов для численного решения уравнений теплопроводности и износа. Результаты моделирования, сопоставленные с экспериментальными данными, демонстрируют адекватность модели и возможность ее применения для оптимизации параметров трибологических систем „сталь–полимер“.

A mathematical model of wear of a steel–polymer friction pair without lubrication is proposed. The model is based on the equations of thermal balance and wear kinetics, which take into account energy dissipation during friction and heat exchange with the environment. Unlike traditional approaches, the proposed model includes critical points corresponding to temperature transitions in the polymer, which makes it possible to predict their position based on experimental dependences with high accuracy. Special attention is paid to the destruction of polymer properties under the influence of temperature and mechanical loads, which significantly affects the tribological characteristics of the friction pair. The model is implemented in MATLAB CAD using the finite element method for the numerical solution of the equations of thermal conductivity and wear. The simulation results, compared with experimental data, demonstrate the adequacy of the model and the possibility of its application to optimize the parameters of tribological systems steel–polymer.

MatLabтрениеизнослегированная стальполимертемпература в зоне контактакоэффициент трениякоэффициент износаMATLABfrictionwearalloy steelpolymercontact temperaturecoefficient of frictioncoefficient of wearработа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № 124041500009-8).The work was performed within the framework of the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (topic No. 124041500009-8).ReferencesArmstrong-Hélouvry B., Dupont P., & Canudas de Wit C. A survey of models, analysis tools and compensation methods for the control of machines with friction // Automatica. 1994. Vol. 30, N 7. Р. 1083–1138.Armstrong-Hélouvry B., Dupont P., & Canudas de Wit C. Automatica, 1994, no. 7(30), pp. 1083–1138.Canudas-de-Wit C., Tsiotras P., Velenis E., Basset M., & Gissinger G. Dynamic Friction Models for Road/Tire Longitudinal Interaction // Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility. 2003. Vol. 39, N 3. Р. 189–226.Canudas-de-Wit C., Tsiotras P., Velenis E., Basset M., & Gissinger G. Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 2003, no. 3(39), pp. 189–226.Петросян А. Е., Горячева И. Г. Математическое моделирование сил трения в динамике механических систем. М.: Физматлит, 2010.Petrosyan A.E., Goryacheva I.G. Matematicheskoye modelirovaniye sil treniya v dinamike mekhanicheskikh sistem (Mathematical Modeling of Friction Forces in the Dynamics of Mechanical Systems), Moscow, 2010. (in Russ.)Popov V. L. & Gray J. A. T. Prandtl-Tomlinson Model: History and Applications in Friction, Plasticity, and Nanotechnologies // ZAMM. 2012. Vol. 92, N 9. Р. 683–708.Popov V.L. & Gray J.A.T. ZAMM, 2012, no. 9(92), pp. 683–708.Седакова Е. Б., Козырев Ю. П. Тепловая нагруженность полимера в паре трения политетрафторэтилен–сталь // Трение и износ. 2017. Т. 38, № 5. С. 386–390.Sedakova E.B. and Kozyrev Yu.P. Friction and Wear, 2017, no. 5(38), pp. 386–390. (in Russ.)Vattathurvalappil S. H., Hassan S. F., Haq M. Mechanics of ABS Polymer under Low & Intermediate Strain Rates // Recent Prog. Mater. 2023. Vol. 5. Р. 1–15.Vattathurvalappil S.H., Hassan S.F., Haq M. Recent Prog. Mater., 2023, vol. 5, рр. 1–15.Suwinski K., Lubinski J. The impact of the selected parameters of FDM manufacturing technology on tribological performance of abs-steel pair under dry friction // Tribology. 2020. Vol. 290. Р. 85–89.Suwinski K., Lubinski J. Tribology, 2020, vol. 290, рр. 85–89.Крыжановский В. К. и др. Технические свойства полимерных материалов. СПб: Профессия, 2003.Kryzhanovsky V.K. et al. Tekhnicheskiye svoystva polimernykh materialov (Technical Properties of Polymeric Materials), St. Petersburg, 2003. (in Russ.)Дульнев Г. Н., Семяшкин Э. М. Теплообмен в электронных аппаратах. Л.: Энергия, 1968.Dulnev G.N., Semyashkin E.M. Teploobmen v elektronnykh apparatakh (Heat Transfer in Electronic Devices), Leningrad, 1968. (in Russ.)Chapman S. J. MATLAB Programming for Engineers. 2019.Chapman S.J. MATLAB Programming for Engineers, 2019.Paluszek M. & Thomas S. MATLAB Recipes for Engineers and Scientists. 2016.Paluszek M. & Thomas S. MATLAB Recipes for Engineers and Scientists, 2016.Мышкин Н. К., Петроковец М. И. Трение, износ, смазка. Физические основы и технические приложения трибологии. М.: Физматлит, 2007. 368 с.Myshkin N.K., Petrokovets M.I. Treniye, iznos, smazka. fizicheskiye osnovy i tekhnicheskiye prilozheniya tribologii (Friction, Wear, Lubrication. Physical Foundations and Technical Applications of Tribology), Moscow, 2007, 368 р. (in Russ.)Александров В. М., Коваленко Е. В. Задачи механики упругопластического контакта. Киев: Наук. думка, 1986.Aleksandrov V.M., Kovalenko E.V. Zadachi mekhaniki uprugoplasticheskogo kontakta (Problems of Elastic-Plastic Contact Mechanics), Kiеv, 1986. (in Russ.)Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высш. школа, 1967.Lykov A.V. Teoriya teploprovodnosti (Theory of Heat Conductivity), Moscow, 1967. (in Russ.)Ратинер Л. И. Трение и износ в экстремальных условиях. М.: Машиностроение, 1988.Ratiner L.I. Treniye i iznos v ekstremal’nykh usloviyakh (Friction and Wear under Extreme Conditions), Moscow, 1988. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.