Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
Глава 5. Новый метод испытаний жидких и пластичных смазочных материалов на термостойкость Испытания смазочных материалов на термостойкость и износостойкость отличаются большим рассеянием результатов даже на лабораторных образцах, а тем более в узлах, агрегатах или машине в целом. Рассеяние обусловлено различием геометрических и механических свойств поверхностей трения в условиях их контакта, непостоянством внешних условий и другими обстоятельствами. Во многих случаях правильные выводы можно сделать только на основании испытаний большого числа однотипных объектов с использованием статистических методов обработки результатов. Предусмотрено четыре группы испытаний (ГОСТ 23.224-86): сравнительные экспресс-испытания; моделирующие испытания; ускоренные ресурсные испытания; испытания для определения диапазона нагрузок, скоростей и температур, обеспечивающих приемлемые в эксплуатации значения интенсивности изнашивания. Для проведения этих испытаний рекомендуются серийные машины трения: СМЦ-2, МИ-1М, СМТ-1, УМТ-1, АЕ-5, 77МТ-1, ПТХ-3, а также испытательные и имитационные установки (ГОСТ 23.224-86, 23.220-84, 23.211- 80, 23.221-84, 23 208-79 23.202-78, 23.214-83). В этих же ГОСТах приведены методики определения износа материала, размеры образцов (деталей), подвергаемых испытаниям; приспособления и приборы для проведения испытаний на износ. Термостойкость смазочных композиций в настоящее время определяется в соответствии с ГОСТ 23.221-84 и ГОСТ 9490-75 на основе четырехшариковой машины (ЧШМ). Сущность способа испытания смазочных материалов на термостойкость на ЧШМ состоит в триботехническом испытании сопряжения с точечным или линейным контактом, образованным вращающимися с постоянной скоростью образцом и тремя (или одним) неподвижными образцами при постоянной нагрузке и ступенчатом повышении температуры образцов и окружающего их смазочного материала от внешнего источника тепла, с регистрацией момента трения во время испытаний, по изменению которого судят о температурной стойкости смазочных материалов. Способ предусматривает шесть схем испытаний: 1. Испытания при контакте вращающегося шара с тремя неподвижными шарами; 2. Испытания при контакте вращающегося шара со сферическим пояском на пересечении торцевой поверхности внутреннего отверстия кольцевого образца; 3. Испытания при контакте вращающегося шара с тремя образцами с плоскими 193 рабочими поверхностями; 4. Испытания при контакте вращающегося шара с тремя цилиндрическими роликами, равнорасположенными относительно оси вращающегося шара; 5. Испытания при контакте вращающегося конического образца с тремя цилиндрическими образцами, равнорасположенными относительно оси вращения конического образца; 6. Испытания при контакте вращающегося конического образца с острой кромкой внутреннего отверстия кольцевого образца. Испытательная машина (ГОСТ 23.221-84) содержит: вертикальный шпиндель с приводом, патрон для закрепления шаров диаметрами 8 и 12,7 мм или образцов с конической поверхностью с диаметром 7,32 мм в рабочей зоне; горизонтально расположенную чашку с испытываемым смазочным материалом, имеющую оправку для закрепления образцов неподвижно; систему нагружения вращающегося шара (или конического образца); внешний источник тепла – нагреватель, обеспечивающий подъем температуры узла трения и окружающею ею слоя смазочного материала в интервале температур 293...573 К и поддержание ее на заданном уровне с погрешностью не более ± 5 К; устройство для непрерывной регистрации момента трения между образцами с погрешностью не более 1 %. Основной недостаток указанного способа состоит в том, что он дает оценку температурной стойкости смазочных материалов при нагреве их до определенной температуры от внешнего источника тепла, что, по существу, не является характеристикой термостойкости смазочного материала при трении – способности смазочного материала противостоять нагреву от внутреннего источника тепла, т. е. нагреву от действия сил трения в сопряжении в результате физико-химических процессов в зоне контакта трущихся деталей. Кроме того из-за отсутствия контактов образцов по плоскости, имитирующих подавляющее большинство сопряжений со схемой взаимодействия типа «плоскость – плоскость», не реализуются условия трения, близкие к реальным условиям, происходящим при работе пар трения механизмов и машин. К другим недостаткам указанного способа относятся: значительная трудоемкость процедуры проведения испытаний; отсутствие учета трибофизических, трибохимических, электрических и магнитных процессов в контактных зонах образцов из-за незначительных площадей контакта сопряжений (точечных и линейных, переходящих в узкозональные продолговатые пятна контакта и узкозональные поясные полоски). Не учитывается в способе (ГОСТ 23.221-84) также снижение износа за счет применения металлоплакирующих присадок, обеспечивающих появление в узлах трения защитных сервовитных пленок мягких металлов и полимерных серфинг-пленок при возникновении режимов безызносного трения, которые препятствуют нагреву смазочных материалов в узлах трения, повышая их температурную стойкость. 194 Цель нового способа испытаний смазочных материалов на термостойкость – приближение контактирующих элементов образцов к типу «плоскость – плоскость» для оценки температурной стойкости смазочных материалов по нагреву их от внутреннего источника тепла (сил трения в сопряжениях образцов), а не от внешнего; снижение трудоемкости процедуры проведения испытаний; учет трибофизических, трибохимических, электрических, магнитных процессов в контактных зонах образцов; учет снижения износа образцов за счет применения металлоплакирующих присадок к смазочным материалам, обеспечивающих появление в узлах трения защитных сервовитных и серфинг-пленок, которые повышают температурную стойкость смазочных материалов. Данная цель достигнута тем, что в известном способе (ГОСТ 23.221-84) сопряжения образцов с точечными и линейными контактами в начале испытания заменены, по крайней мере, тремя выступами с криволинейными поверхностями контакта, расположенными на неподвижной колодке, контактирующей с вращающимся роликом, а оценка термостойкости смазочного материала осуществляется по температуре саморазогрева смазочного материала в чашке при заданном времени работы сопряжения «колодка – ролик», либо по температуре и времени испытания, при которых начинается дымление испытываемого смазочного материала в зоне контакта образцов. Устройство для испытания смазочных материалов на температурную стойкость (рис. 5.1) состоит из горизонтального шпинделя с приводом, снабженного вращающимся роликом 1, закрепленной неподвижно по отношению к ролику 1 колодки 2 с тремя (по крайней мере) выступами 3 с криволинейными поверхностями контакта, расположенными на неподвижной колодке 2 контактирующими с вращающимся роликом 1. В чашке 4, расположенной горизонтально помещается испытываемый на температурную стойкость смазочный материал 5, температура которого контролируется с помощью датчика температуры 6 и контрольного термометра 7 либо с помощью резонатора акустических колебаний 10 датчика приема этих колебаний 11, проходящих через разогретые трением колодки 2 о ролик 1. Устройство снабжено также механизмом нагружения 8 колодки 2 и механизмом для измерения момента трения 9. Способ испытания смазочных материалов на термостойкость [6] осуществляется следующим образом. Испытываемый смазочный материал 5 помещается в чашку 4, при этом ролик 1 окунается в смазочный материал на 3...5 мм ниже оси его симметрии. Далее ролику 1 придается скорость вращения от 100 до 1500 мин-1, с помощью механизма 8 осуществляется нагружение колодки 2 заданным усилием. В чашке 4 фиксируется начальная температура смазочного материала с помощью датчика температуры 6 и контрольного термометра 7 либо по скорости прохождения звуковой волны через разогретый смазочный материал с помощью резонатора 10 и датчика 11. Рис . 5.1. Устройство температурную а – схема устройства; б – выступы 3 шириной b (ролик Температура саморазогрева время испытаний и характеризует смазочного материала. Зависимости материала 5 в чашке 4 и момента на рис. 5.2, 5.3. В случае дымления смазочного устройство останавливается смазочного материала в чашке износа образцов (выступов ролика 1) с помощью, лабораторных условиях был различных смазочных материалов В качестве испытываемых следующие образцы (см. рис [7]; 2 – масло моторное +0,4 % 195 Устройство для испытаний смазочных материалов температурную стойкость: колодки 2 с выступами 3 ; в – вид ролик 1 условно не показан). саморазогрева смазочного материала в чашке характеризует температурную стойкость материала. Зависимости изменения температуры и момента трения от времени испытания дымления смазочного материала в зоне сопряжения станавливается и фиксируется время испытания материала в чашке 4. Способ позволяет также выступов 3 колодки 2 в виде площадок с размерами помощью, например, взвешивания или микромет условиях был опробован предлагаемый способ материалов на температурную стойкость испытываемых смазочных материалов см. рис. 5.2): 1 – масло моторное + 0,2 % моторное +0,4 % и МСК «Валена»; 3 – масло моторное материалов на вид по стрелке А на в чашке 4 за заданное кость испытываемого температуры смазочного испытания представлены сопряжения образцов испытания и температура также сделать оценку площадок с размерами ахb и или микрометрии. В предлагаемый способ испытания стойкость. материалов были выбраны + 0,2 % МСК «Валена» масло моторное +0,6 % МСК «Валена»; 4 – масло присадки. Рис . 5.2. Зависимость момента МСК «Валена» широко транспорта, горнодобывающего Украины, Казахстана, тяжело Для испытания образцов машину трения ИИ-5018. Образцы трения «стальной ролик выступа 5х4 мм, общая геометрическая ролика составлял 43 мм измеряли с помощью ртутного испытаниями колодку и Испытания проводили трехкратно колодка 2 и ролик 1 прошли чашке 4 емкостью 200 мл трения. Исходные параметры 1; осевая нагрузка Рос = 3000 температура смазочного материала через который фиксируется чашке, составлял 5...15 мин ч. За конечные параметры сопряжении, Н·м; конечная температура дымления смазочного ролик», °С; время испытания 196 масло зарубежное моторное; 5 – масло Зависимость момента трения Мтр от времени испытаний широко применяется в узлах трения железнодорожного горнодобывающего и перерабатывающего оборудования тяжело нагруженных узлах трения механизмов образцов смазочных материалов 1 – 5018. Образцы смазочных материалов испытывали ролик – чугунная колодка» с тремя выступами общая геометрическая площадь контакта 60 мм. Температуру смазочного материала ртутного термометра с ценой деления колодку и ролик промывали ацетоном и трехкратно в течение 180 мин. Перед началом шли приработку с использованием базового 200 мл до стабилизации температуры масла параметры испытаний: частота вращения ролика ос = 3000 Н; давление на контакте 50 смазочного материала Тн = 20 °С в чашке 4; интервал фиксируется температура разогрева смазочного мин; общее время испытаний составлял параметры испытаний приняты: момент конечная температура смазочного материала дымления смазочного материала Ткр в сопряжении испытания до начала дымления, мин. масло моторное без времени испытаний τ трения железнодорожного оборудования России, механизмов и машин. – 5 использовали материалов испытывали на паре тремя выступами: размер контакта 60 мм². Диаметр материала 5 в чашке 4 деления 0,5 ºС. Перед ацетоном и высушивали. Перед началом испытаний использованием базового масла в температуры масла и момента вращения ролика ω = 500 мин- контакте 50 МПа; начальная ; интервал времени, смазочного материала в составляло 0,25; 0,5; 1; 2; 3 момент трения в материала Тк в чашке 4,ºС; сопряжении «колодка – Рис . 5.3. Изменения температуры Из представленных графиков разной концентрацией МСК моменту трения, так и Температурная стойкость их течение 1 ч наметилась тенденция температуры разогрева смазочного Образцы 4, 5 без МСК сравнению с образцами 1 (почти в 2 раза) увеличился чашке достигла 180 ºС (выше При испытании образца Испытания были приостановлены материала. Обширные экспериментальные износа пар трения при применении их термостойкость были проведены в лаборатории триботехники термостойкости смазочных Сущность методики сопряжений в соответствии температура саморазогрева величине которой оценивают позволяет попутно сделать весового износа испытываемых смазочной среде. Термины и определения приведены в табл. 5.1. 197 Изменения температуры Т смазочного материала время испытаний представленных графиков (см. рис 6.3) следует, что МСК «Валена» отличались незначительно так и по температуре разогрева масла стойкость их высокая и стабильная, причем после наметилась тенденция к некоторому снижению моментов разогрева смазочного материала в чашке 4. МСК «Валена» оказались менее термостойкими 1 – 3. Так, при испытаниях образца увеличился момент трения, температура разогрева выше, чем для образцов 1 – 3 примерно образца 5 через 20 мин началось дымление приостановлены из-за опасности возгорания экспериментальные исследования уменьшения именении различных смазочных материалов были проведены на кафедре МТ-13 МГТУ им триботехники. Разработана методика экспериментальной смазочных материалов: жидких и пластичных. методики заключается в триботехнических соответствии с пат. № 2378637, при которых саморазогрева окружающего их смазочного оценивают его температурную стойкость сделать оценку пятна контакта, линейного испытываемых образцов в исследуемой на определения трибологических характеристик материала в чашке 4 за что образцы 1 – 3 с незначительно как по масла в чашке 4. причем после испытаний в снижению моментов трения и менее термостойкими по образца 4 существенно температура разогрева масла в примерно на 30 %). началось дымление смазки. возгорания смазочного уменьшения интенсивности смазочных материалов, а также МГТУ им. Н.Э. Баумана экспериментальной оценки пластичных. триботехнических испытаниях которых регистрируется смазочного материала, по стойкость. Методика линейного, объемного и исследуемой на термостойкость характеристик при испытаниях 198 Таблица 5.1 Трибологические характеристики и размерности контролируемых величин Методика предусматривает четыре схемы испытаний: испытание при контакте вращающегося ролика (кольца) с роликом 08x20 Д IV по ГОСТ 22696- 77 (рис. 5.4, а); испытание при контакте вращающегося ролика (кольца) с колодкой с двумя карманами для смазочных материалов (рис. 5.4, б); испытание при контакте вращающегося диска с пальцем (рис. 5.4, в); испытание при контакте пластины с пальцем при возвратно-поступательном движении пластины ( рис. 5.4, г). Рис . 5.4. Схемы испытаний образцов: а – ролик (кольцо)–ролик; б – ролик–колодка; в – диск–палец; г – пластина– палец. 199 Испытания по этим схемам могут быть распространены на испытания смазочных материалов на термостойкость для подшипников скольжения, подшипников качения, зубчатых колес, сопряжений кулачок – толкатель, подпятников, поршневого кольца – гильзы цилиндра ДВС и других узлов трения. Испытания на машине трения МТ-10 ( Тимкена-Айшингера) (рис. 5.5) по схемам рис. 5.4 выполняются как сравнительные экспресс-испытания. Схемы испытаний приведены на рис. 5.6, 5.7. Техническая характеристикамашины трения МТ-10 1. Привод клиноременный 2. Электродвигатель 2206/504 3. Частота вращения рабочего ролика – 400 об/мин. 4. Набор грузов по 0,45 кг -14,85 кг 5. Максимальная нагрузка на валу трения -300 кг. 6. Смазки образцов погружением в масляную ванну. 7. Изменение нагрузки – ступенчатое 8. Вес машины-15 кг. 9. Потребляемая мощность – 400 Вт. 10. Габариты – 500 х 250 х 260 мм. Рис . 5.5. Общий вид машины трения МТ-10 Тестовая машина трения МТ-10 вращательного действия работает следующим образом: ролик (кольцо) на валу приводится во вращение от электродвигателя и смазывается погружением в масляную ванну. Ролик, заключенный в обойму, прижимается к ролику (кольцу) с усилием, обеспечиваемым грузами и системой рычагов. Таким образом, между роликом (кольцом) и роликом возникают процессы трения и износа. Частота вращения ролика (кольца) постоянная – 400 об/мин, максимальная нагрузка на пару трения – 300 кг. Изменение нагрузки производится ступенчато путем 200 снятия или навешивания грузов на чашку рычажного механизма: один груз (чашка) весом 0,45 кг обеспечивает нагрузку 14,85 кг. Рис . 5.6. Схема испытаний на термостойкость на машине трения Рис . 5.7. Схемы испытаний на машине трения МТ-10: а – «ролик (кольцо) – ролик»; б – «колодка – ролик» Оценочными параметрами испытываемых материалов на данной машине служат параметры: температура саморазогрева масла в ванне; пятно контакта, характеризующее износ сопряжения; размер и состояние поверхности пятна износа ролика. Исследованы смазки: Буксол М; Лукойл-стандарт; Ligni Moli; Лукойл- супер; Luxe (Molibden); Блезформ; Mannol (Molibden); Super Luxe; Волга Ойл Плюс; Shell Helx; Castrol Six Prot; Zic HFLO; Mobil Super 1000; Esso Ultra; Пума М, а также противоизносные присадки: МСК «Валена» по ТУ0257-001- 17368431-05; АКМ; Ремтек; Стрибол; Хадо; Fenom; Oil Additive LM; Ремет; SMT2; ER; Plamet; Comma Plus; Форсан. Результаты исследований композиций и смазочных материалов приведены в табл. 5.2. В качестве образцов были выбраны пары трения: ролик (кольцо) из стали У8А (58…62 HRC) - ролик 8x20DIV по ГОСТ 22696–77 из стали ШХ15. Также в табл. 5.2 приведены температуры саморазогрева 201 различных композиций смазочных материалов и величины износа пятна контакта образцов. Особый интерес для исследователей и производственников представляют результаты экспериментов по оценке влияния концентрации присадки в маслах и пластичных смазочных материалах на термостойкость и износостойкость пар трения (рис. 5.8 – 5.10). Анализ результатов исследований, приведенных в табл. 5.2 показывает, что по термостойкости МСК «Валена» превосходит отечественные и зарубежные смазочные композиции. Рис . 5.8. Зависимость температуры саморазогрева смазочных композиций от времени испытаний Рис . 5.9. Эффект ИП меди на поверхность испытуемого образца (светлые пятна меди на образце из стали 45) Рис . 5.10. Зависимость износа масле Испытания (табл. 5.2) износостойкости присадкой Наиболее эффективной также – МСК «Валена». Это контакта сопряженных деталей (сервовитной) пленки, которая На образцах из стали пленки в виде светлых Наноцентре МГТУ им. Н.Э Наиболее приемлемой моторным маслам, а также «Взлет» и д.р. является МСК 0,5…2,5 % по объему (рис 5.10) 202 Зависимость износа от процентного содержания 5.2) показали, что наиболее эффективной присадкой к моторным маслам является МСК эффективной присадкой по температурной Валена». Это объясняется тем, что МСК сопряженных деталей способствует образованию медно которая отводит тепло из узла трения. стали 45 (колодках) образовались медные светлых пятен (рис. 5.9). Исследования Н.Э. Баумана. приемлемой и рекомендуемой к внедрению также к смазочным материалам «Блезформ МСК «Валена» (А. с. № 2277579) в рис 5.10). содержания присадки в эффективной по МСК «Валена» [7]. температурной стойкости стала «Валена» в зоне образованию медной защитной медные сервовитные Исследования проводились в внедрению присадкой к Блезформ», «Камаз», 2277579) в концентрациях 203 Таблица 5.2 Результаты испытаний некоторых композиций по схеме сопряжения «кольцо-ролик» № Смазочный материал Добавка, % Максимальна я температура смазочной среды, °С Площадь пятна износа, мм 2 Образование медной плёнки 1 Super Luxe ER, 12,5% 122 4.18 – 2 Лукойл стандарт Fenom, 12,5% 106 4.54 – 3 Лукойл стандарт МСК «Валена», 12,5% 85 6.42 + 4 Liqui Moly МСК «Валена», 12,5% 87 7.04 + 5 Blazeform АМК, 12,5% 96 7.94 – 6 Лукойл стандарт АМК, 12,5% 91 8.11 + 7 Mannol Molybden МСК «Валена», 12,5% 96 8.29 + 8 Super Luxe SMT2, 12,5% 120 8.97 – 9 Liqui Moly – 112 9.37 + 10 Лукойл стандарт АМК, 12,5% 92 9.54 – 11 Luxe Molybden МСК «Валена», 12,5% 93 9.64 – 12 Волга Ойл Пасс МСК «Валена», 12,5% 100 9.94 + 13 Super Luxe МСК «Валена», 12,5% 105 10.9 – 14 Лукойл супер МСК «Валена», 12,5% 90 10.14 + 15 Super Luxe Comma Plus, 12,5% 129 12.9 – 16 Mobil Super 1000 – 135 13.6 – 17 Esso Ultra – 143 14.7 – 18 Total Quartz 7000 – 111 15.96 – 19 Лукойл стандарт – 127 16.72 – 20 Shell Helix – 101 16.95 – 21 ZIC HIFLO – 130 17.15 – 22 Super Luxe Oil Addtir LM 12,5% 109 18.10 – 23 Super Luxe Pumet, 12,5% 97 18.13 – 24 Super Luxe – 128 18.67 – 25 Буксол М – 81 20.58 – 26 Super Luxe PlaMet, 12,5% 123 20.58 – 27 Super Luxe Pumet, 12,5% 118 20.90 – 28 Super Luxe Форсан, 12,5% 133 21.33 – 29 Castrol SLX Prof – 127 23.75 – 30 Стрибол – 95 23.94 + 31 Dexelia Ultra – 118 26.18 – 32 Пума М – 160 33.18 – 33 Blazeform – 120 39.4 – 204 Результаты всех испытаний заносятся в протоколы по Методике №01-13- ОД–2011 МГТУ им. Н.Э. Баумана, которые являются сертификационным паспортом смазочной композиции на термостойкость и износостойкость (рис. 5.11) [11]. Методика испытаний не распространяется на твердые смазочные материалы. Рис . 5.11. Паспорт-сертификат на смазочный материал 205 Список литературы 1. Гаркунов Д.Н. Триботехника. Износ и безызносность/учебник для вузов. М.: МСХА, 2001. 611с. 2. Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Гаврилюк B.C. Триботехника. Краткий курс/ учеб. пособие. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2008. 308 с. 3. Гаркунов Д.Н., Бабель В.Г., Мамыкин СМ., Мельников Э.Л., Гаврилюк B.C. Новые направления в триботехнике и их использование в повышении износостойкости механизмов и машин. М.: МСХА, 2007. 58 с. 4. Гаркунов Д.Н., Мамыкин СМ., Мельников Э.Л., Гаврилюк B.C. Экологическая и экономическая эффективность новых решений трибологических проблем // Промышленная политика в Российской Федерации. 2008. № 28. С. 41–52. 5. Технический паспорт на машину трения МТ-10. 6. Патент РФ. № 2378637 РФ. Способ испытания смазочных материалов на температурную стойкость. Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Мамыкин С.М. 7. Патент Р.Ф. №2277579. Металлосодержащая маслорастворимая композиция для смазочных материалов. Бабель В.Г., Гаркунов Д.Н., Мамыкин С.М., Корник П.И. 8. Мельникова Л.А., Симушкин А.В. Разработка безызносных узлов трения // Студенческий научный вестник. 2009. Т. IX.С. 102–110. 9. Методика 01-13-ОД-2011 экспериментальной оценки температурной стойкости смазочных материалов при трении. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. 33 с. 10. Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. М.: Машиностроение,1948. 280 с. 11. Мельников Э.Л., Сережкин М.А., Бодарева А.В., Гречкин А.П. Сравнительные исследования термостойкости и износостойкости некоторых отечественных и зарубежных моторных масел и противоизносных присадок к ним. Ремонт восстановление модернизация, №4,2012., с. 37-41. |